Әлемдегі әрбір іргелі бөлшектің массасы бірдей, бірақ заряды қарама-қарсы болатын антибөлшегі бар. Егер бөлшек антибөлшекпен кездессе, екеуі бір-бірін энергияның жарқылында жойып жіберер еді. Бірақ бұл ережеден ерекшелік бар деген теория бұрыннан белгілі болды, кейбір бөлшектер шын мәнінде өздерінің антибөлшектері болып табылады.

Қазір Стэнфорд университетінің және Калифорния университетінің (UC) ғалымдары алғашқы күшті тапты. бөлшектердің осы түріне дәлел, олар « періште бөлшек» деп атаған. Стэнфорд пен UC ғалымдарының командасы мұндай майорана фермионының алғашқы сенімді дәлелін тапқанын айтады. Ол Калифорния университетінде (UC) Стэнфорд университетімен бірлесе отырып, экзотикалық материалдарға зертханалық эксперименттер сериясында табылды. Топты UC-Irvaine доценті Цзинь Ся және Лос-Анджелестегі Калифорния университетінің (UCLA) профессоры Кан Ван басқарды және Стэнфордтағы физика профессоры Шоученг Чжан мен әріптестері ұсынған жоспарды ұстанды. Команда нәтижелерді Science журналында жарияланған мақалада хабарлады.

Теория 1937 жылы итальяндық физик Этторе Майорана бөлшектердің фермиондар отбасындағы алшақтықты атап көрсеткен кезден басталады. Протондар, электрондар, нейтрондар, нейтринолар және кварктардың барлығы фермиондар және олардың бәрінің антибөлшектік аналогтары бар, бірақарнайы дайындалған материалда өте жасанды түрде. Олардың ғаламда болуы екіталай, бірақ біз кім деп айтамыз? Екінші жағынан, нейтринолар барлық жерде және егер олар майорана бөлшектері болса, біз табиғат мұндай бөлшектерді мүмкін етіп қана қоймай, шын мәнінде олармен ғаламды толтырғанын көрсетеміз.»

Ол былай деп қосты: физикадағы ұқсастықтар өте күшті болып шықты. Олар мүлдем басқа хайуанаттар, әртүрлі процестер болса да, біз екіншісін түсіну үшін біреуін пайдалана аламыз. Бәлкім, біз де біз үшін қызықты нәрсені таба аламыз.»

Ангел бөлшектері

Болашақта, Чжанның айтуынша, майорана фермиондары қоршаған ортаның «шуы» бұзылмайтын берік кванттық компьютерлерді жасау үшін пайдаланылуы мүмкін. (қоршаған ортаның кедергісі) осы жабдықты дамытуға үлкен кедергі болды. Әрбір майорана негізінен жарты субатомдық бөлшек болғандықтан, бір кубит ақпарат екі толығымен бөлек Майорана фермионында сақталуы мүмкін, бұл оларды бір нәрсенің бірден алаңдатып, олар тасымалдайтын ақпаратты жоғалту мүмкіндігін азайтады.

Әзірше ол өзінің командасы ашқан майорана хиральдық фермионының атауын ұсынады: «періште бөлшектері», басқаларға сілтеме жасай отырып.2000 жылдардағы ең көп сатылатын триллер: Дэн Браунның «Ангелдер мен жындар». Романда жасырын бауырластық Ватиканды сағаттық бомбамен жаруды жоспарлайды, оның жарылғыш күші материя мен антиматерияны жоюдан келеді. Кітаптан айырмашылығы, ол атап өтті, Майорананың фермиондық кванттық әлемінде періштелер ғана бар - жындар жоқ. Дереккөздер ;

ЧУИ, Гленнда. «Стэнфорд теоретиктері ұсынған эксперимент Майорана фермионы үшін дәлелдерді табады, ол өзінің антибөлшектері», Стэнфорд жаңалықтары, 2017.

Кіру 27.00.2017;

IRVING, Майкл . «Ғалымдар өзінің антибөлшегі болып табылатын «періште бөлшектерін» тапты», 2017, Жаңа Атлас. Қолданылған күні 27.00.2017;

CONOVER, Эмили. «Кванттық қабат тортында майорана фермионы анықталды», 2017, Ғылым жаңалықтары. Қолданылуы 27.00.2017;

O’CALLAGHAN, Джонтан. «Зерттеушілер бір уақытта материя мен антиматер болатын «періште бөлшектерін» ашты» 27.00.2017 күні қолжетімді.

Олардың заряды жоқ болғандықтан, нейтрондар мен нейтринолар ең жақсы болды. Бұл майорана фермиондары болуға үміткерлер, бірақ антинейтрондар табылды. Нейтриноларға қатысты әлі де үлкен сұрақ белгісі бар және олардың шын мәнінде өздерінің антибөлшектері екенін анықтау үшін эксперименттер жүргізілуде. Дегенмен, эксперименттердің қиындығы жауап бізден әлі он жылдан астам уақыт алшақ екенін білдіреді.

Сонымен қатар, майорана фермиондарын табудың ең ықтимал жолы «квазибөлшектерді» іздеу болып табылады. Аты айтып тұрғандай, бұл өте табиғи бөлшектер емес, бірақ электрондардың ұжымдық әрекетінен туындайды және белгілі бір бөлшектердің қасиеттеріне ие. Егер мұны елестету қиын болса, Британ энциклопедиясы бұл ұғымды сусындағы көпіршіктер сияқты түсіндіреді: көпіршіктер де сусындағы химиялық заттардың «ұжымдық әрекетінен» туындайды және олар шын мәнінде тәуелсіз нысандар болмаса да, көпіршіктердің нақты нысандар сияқты өлшенетін қасиеттері бар, соның ішінде өлшемі, пішіні және т.б.

Сол сияқты, квазибөлшектер өте ерекше жағдайлардан тыс пайда болмауы мүмкін, бірақ олар барлық дұрыс қасиеттерді көрсетсе, оларды негізгі фермиондар деп санауға болады. Енді,Стэнфорд пен Калифорния университетінің зерттеушілері « талассыз қолтаңба» (немесе «талассыз дәлел» немесе « шылым шегетін мылтық», мәселесі туралы бұқаралық ақпарат құралдарында жиі пайда болған өрнекті тапқанын айтты. жаңалық) осы гипотетикалық фермиондардың бар екендігін көрсетеді.

«Біздің команда майорана фермионын қайдан табуға болатынын және оның « талассыз дәлелі» эксперименттік қолтаңбасы ретінде нені іздеу керектігін дәл болжады» , дейді зерттеу жұмысының жетекші авторларының бірі Шоучэн Чжан. «Бұл жаңалық тұп-тура 80 жылға созылған іргелі физикадағы ең қарқынды зерттеулердің бірін аяқтайды.»

Осы ерекше квазибөлшектердің өзін көрсетуі үшін команда өздерінің ерекше «сусындарын» мұқият құрастырды. көпіршіктерді тудыратын сұйықтықтың жағдайлары), бір-бірінің үстіне жиналған екі кванттық материалдан тұратын жұқа қабықшалардан тұрады. Соңғы нәтиже - электрондардың материал бетінің шеттері бойымен жылдам қозғалуына мүмкіндік беретін, бірақ ортасы арқылы емес, асқын өткізгіш топологиялық изолятор. Қоспаға магниттік материалдың сызығын қосу арқылы электрондар бір жақ бойымен бір бағытта, ал екіншісінің бойымен қарама-қарсы бағытта ағады.

Содан кейін зерттеушілер магнитті материалға таратып жіберді, бұл барлық электрондардың баяулауына әкелді. , тоқтаңыз және бағытты өзгертіңіз. Кері ауысу акоманданың баспалдақтағы қадамдармен салыстыратын кенет және іркіліс қозғалысы. Квазибөлшектер материалдан жұп болып, электрондармен бірдей жолмен жүріп шыға бастады, бірақ түбегейлі айырмашылық болды: олар тоқтап, қозғалысын кері қайтарғанда, олар мұны электрондардың жартысында дәл «қадамдармен» жасады. Өйткені олардың әрқайсысы шын мәнінде жарты бөлшек, өйткені әрбір жұп квазибөлшектердің біреуі жолда жоғалады. Және бұл құбылыс дәл зерттеушілер іздеген дәлел болды.

Чжан топтың ашылуын Дэн Браунның «Періштелер мен жындар» романына сілтеме жасай отырып, «періште бөлшектері» деп атауды ұсынды. материя және антиматерия. Ұзақ мерзімді перспективада майорана фермиондары кванттық компьютерлерді қауіпсіз етуде практикалық қолдануды таба алады.

Зерттеу

1928 жылы физик Пол Дирак ғаламның барлық іргелі бөлшектері туралы таңғаларлық болжам жасады. антибөлшегі бар — яғни бірдей, бірақ қарама-қарсы зарядталған егіз бөлшек (бөлшектердің және антибөлшектердің электр зарядтары және олардың бұрыштық импульсі симметриялы аналогтарымен бірдей абсолютті мәндерге ие, алайда электромагниттік өрістер қарама-қарсы белгілерге ие).

Бөлшек пен антибөлшек кездескен кезде олар боладыжойылып, белгілі бір мөлшерде энергия бөлінеді. Бірнеше жылдан кейін антиматерияның бірінші бөлшегі — электронға қарама-қарсы, позитрон — ашылды, антиматерия тез арада танымал мәдениеттің бір бөлігі болды.

Материя + Антиматер = Энергия. Заттың бір бөлшегі оның антиматериясымен соқтығысқанда, екеуі де тұтынылатын массаға пропорционал таза энергияға айналады, E=mc² сәйкес энергия шығарады.

Бірақ 1937 жылы тамаша физик Этторе Майорана twist: ол протон, нейтрон, электрон, нейтрино және кварк кіретін фермиондар деп аталатын бөлшектер класында өздерінің антибөлшектері болатын бөлшектер болуы керек деп болжаған.

«Біздің команда фермионды қайдан табуға болатынын дәл болжады. Majorana және оның «талассыз қолтаңбасы» эксперименттік қолтаңбасы ретінде нені іздеу керек, деді Чжан, теориялық физик және зерттеу жұмысының жетекші авторы. «Бұл жаңалық тұп-тура 80 жылға созылған іргелі физикадағы ең қарқынды ізденістердің бірін аяқтайды.»

Әйгілі фермионды іздестіру практикадан гөрі интеллектуалды болып көрінгенімен, ол оның нақты өмірлік салдары болуы мүмкін деп қосты. берік кванттық компьютерлердің құрылысы, бірақ бұл болашақта екені рас.

Майорана фермионының ерекше түрі, зерттеу тобының атап өтуінше, «хиральды» фермион ретінде белгілі.өйткені ол бір өлшемді жол бойымен тек бір бағытта қозғалады. Оны жасаған эксперименттерді жобалау, конфигурациялау және орындау өте қиын болғанымен, олар жасаған дәлелдер анық және бір мәнді болды, дейді зерттеушілер.

«Бұл зерттеу майорана хиральды фермиондарын табу үшін көп жылдық ізденістерді аяқтады. Бұл осы саладағы маңызды кезең болады», - деді Чжан негізгі зерттеуші болып табылатын SLAC Ұлттық үдеткіш зертханасының Стэнфорд материалдар және энергетикалық ғылымдар институтының (SIMES) директоры Том Деверо.

«Бұл жаңа нәрсені шынымен анық байқау. », - деді Фрэнк Вильчек, теориялық физик және Массачусетс технологиялық институтының (MIT) Нобель сыйлығының лауреаты, зерттеуге қатыспаған. «Бұл таңқаларлық емес, өйткені физиктер майорана фермиондары осы экспериментте қолданылатын материалдардың түрінен пайда болуы мүмкін деп бұрыннан ойлаған. Бірақ олар бұрын-соңды жиналмаған бірнеше элементтерді, сонымен қатар оның артындағы инженерияны біріктірді, бұл кванттық бөлшектердің осы жаңа түрін анық және сенімді түрде байқауға мүмкіндік берген нақты кезең болды. »

«Квазибөлшектерді» іздеу

Майорананың болжамы нейтрон мен нейтрино сияқты заряды жоқ фермиондарға ғана қатысты. Ғалымдар нейтрон үшін антибөлшек тапты, бірақ оларда жақсынейтрино өзінің антибөлшектері болуы мүмкін деп болжауға негіз бар және оны анықтау үшін төрт эксперимент жүргізілуде — EXO-200, байытылған ксенон обсерваториясының (EXO) соңғы буыны, Байытылған ксенон обсерваториясы Нью-Мексикода орналасқан. Бірақ бұл эксперименттер өте қиын және он жылдан аз уақыт ішінде жауап береді деп күтілмейді.

Шамамен он жыл бұрын ғалымдар майорана фермиондарын материалдар физикасын зерттейтін эксперименттерде де жасауға болатынын түсінді — және мұны жүзеге асыру үшін жарыс жалғасуда.

Олар іздейтін нәрсе — «квазибөлшектер» — электр тогын 100 пайыздық тиімділікпен өткізетін асқын өткізгіш материалдардағы электрондардың ұжымдық әрекетінен туындайтын бөлшектер тәрізді қоздырғыштар ( оқыңыз). Ciência Hoje мақаласы квазибөлшектерге ). Осы квазибөлшектерді тудыратын процесс, Эйнштейннің әйгілі E = mc² теңдеуіне сәйкес, энергияның кеңістіктегі вакуумда қысқа мерзімді «виртуалды» бөлшектерге және қайтадан энергияға айналуына ұқсас. Квазибөлшектер табиғатта кездесетін бөлшектерге ұқсамаса да, оларды нағыз майорана фермиондары деп санауға болады.

Соңғы бес жылда ғалымдар бұл тәсілмен біршама табысқа жетті,олар асқын өткізгіш наноөткізгіштерді қамтитын эксперименттерде перспективті майорана фермиондық қолтаңбаларын көргендерін хабарлады.

Бірақ бұл жағдайларда квазибөлшектер кеңістік пен уақыт арқылы таралмай, белгілі бір жерде «шектелген» болды және бұл қиын болды. Чжанның пікірінше, зерттеушілер көрген сигналдарға басқа әсерлердің ықпал еткенін анықтау үшін.

Шылым шегу – ыстық сынақ

Стэнфорд ұсынған жоспар бойынша UCLA және UC-Irvine-тегі соңғы эксперименттерде Университет зерттеушілері топ екі кванттық материалдан тұратын жұқа қабықшаларды - өткізгіш пен топологиялық магниттік изоляторды- жинап, олар арқылы электр тогын өткізді, барлығы мұзды вакуумдық камераның ішінде болды.

О үстіңгі пленка суперөткізгіш болды. Төменгі топологиялық оқшаулағыш болды, ол тек оның беті немесе шеттері бойынша әрекет етеді, бірақ ортасында емес. Оларды біріктіру арқылы асқын өткізгіш топологиялық изолятор жасалды, онда электрондар супермагистральдағы автомобильдер сияқты кедергісіз материал бетінің екі жиегімен сырғанайды.

Бұл Чжанның идеясы болды, топологиялық изоляторды аз мөлшерде қосу оған магниттік материал. Бұл электрондардың беттің бір жиегі бойымен бір бағытта, ал екінші жиегімен қарама-қарсы бағытта ағуына себеп болды.

Зерттеуші магнитті айнала айналдырды.стектің үстінде. Бұл электрондар ағынының баяулауына, тоқтауына және бағытының өзгеруіне әкелді. Бұл өзгерістер біркелкі болмады, бірақ «баспалдақтағы бірдей баспалдақтар» сияқты кенет қадамдармен болды.

Осы циклдің белгілі бір нүктелерінде майорана квазибөлшектері асқынөткізгіш қабаттан жұп болып шығып, шеттер бойымен қозғалды. электрондар сияқты топологиялық изолятордың. Әр жұптың бір мүшесі жолдан шығып қалды, бұл зерттеушілерге саяхатын жалғастырған кезде жеке квазибөлшектердің ағынын оңай өлшеуге мүмкіндік берді. Электрондар сияқты олар баяулады, тоқтады және бағытын өзгертті, бірақ «қадамдар» бойынша электрондар «қадамдардың» дәл жартысын көрсетті.

Бұл «жарты қадамдар» ыстық дәлел болды (немесе «қатты дәлел») . ” немесе “ түтінішетін мылтық” ) зерттеушілер іздеген.

Ол зерттеу нәтижелері нейтриноның өзінің антибөлшегі болып табылатынын анықтау әрекеттеріне ешқандай әсер етуі мүмкін емес, деді ол. Стэнфорд университетінің профессоры физигі Джорджио Гратта, EXO-200 обсерваториясын жобалау мен жоспарлауда үлкен рөл атқарды.

«Олар байқаған квазибөлшектер негізінен майорана бөлшектері сияқты әрекет ететін материалдағы қозулар», - деді. Грантта. «Бірақ олар қарапайым бөлшектер емес және олардан жасалған