Scoperta del Majorana: dopo 80 anni di ricerche, è stata scoperta una misteriosa particella

Scoperta del Majorana: dopo 80 anni di ricerche, è stata scoperta una misteriosa particella

Gli scienziati della Princeton University hanno usato un microscopio a effetto tunnel per mostrare la struttura atomica di un filo di ferro in un atomo largo su una superficie di piombo. La porzione ingrandita dell'immagine mostra la probabilità quantistica del contenuto nel filo di una particella elusiva chiamata il fermione di Majorana. È importante notare che l'immagine mostra particelle alla fine del filo, che è esattamente dove i calcoli teorici hanno previsto per molti anni.

Se pensavate che la ricerca del bosone di Higgs - l'inafferrabile particella che dà massa alla massa - fosse epica, allora pensate ai fisici che stavano cercando di trovare un modo per scoprire un'altra particella subatomica nascosta dagli anni '30, quando apparve la prima ipotesi.

Ma ora, grazie all'uso di 2 fantastici grandi microscopi, è stata scoperta questa particella molto strana e potenzialmente rivoluzionaria.

Immagina il fermione di Majorana, una particella che è anche la sua antiparticella, un candidato per la materia oscura e un possibile mediatore dell'informatica quantistica.

Il Fermion Majorana prende il nome dal fisico italiano Ettore Majorana, che ha formulato una teoria che descrive questa particella unica. Nel 1937, Majorana predisse che una particella stabile può esistere in natura, che è sia materia che antimateria. Nella nostra esperienza quotidiana c'è anche la materia (che si trova in abbondanza nel nostro Universo) e l'antimateria (che è estremamente rara). Se la materia e l'antimateria si incontrano, si annichiliscono, scomparendo in un lampo di energia. Uno dei più grandi misteri della fisica moderna è come l'Universo sia diventato più importante dell'antimateria. La logica indica che la materia e l'antimateria sono parti della stessa cosa, come i lati opposti di una moneta e dovrebbero essere state create allo stesso ritmo. In questo caso, l'universo sarebbe stato distrutto prima che potesse stabilirsi. Tuttavia, alcuni processi successivi al Big Bang mostrano che più materia è stata prodotta rispetto all'antimateria, quindi è importante che la materia vada, che riempie l'Universo che conosciamo e amiamo oggi.

Tuttavia, il fermione di Majorana è diverso nelle sue proprietà ed è anche un'antiparticella. Mentre l'elettrone è materia, e il positrone è la particella anti-materiale dell'elettrone, il fermione di Majorana è sia materia che antimateria. È questa dualità materiale / anti-materiale che ha reso così difficile da rintracciare questa piccola bestia negli ultimi 8 anni. Ma i fisici lo fecero, e per compiere il compito, ci volle un'enorme ingegnosità e un microscopio enormemente grande.

La teoria mostra che il fermione di Majorana dovrebbe estendersi sul bordo di altri materiali. Così, un gruppo di Princeton University ha creato un filo di ferro in un atomo spesso sulla superficie del piombo e ha fatto un aumento all'estremità del filo usando un mega-microscopio nel laboratorio di vibrazioni ultra-basse a Yadwin Hall a Princeton.

"Questo è il modo più semplice per vedere il fermione di Majorana, che dovrebbe essere creato ai margini di alcuni materiali", dice il principale fisico Ali Yazdani della Princeton University, nel New Jersey, in un comunicato stampa. "Se vuoi trovare questa particella nel materiale, devi usare un microscopio che ti permetta di vedere dove è realmente". La ricerca di Yazdani è stata pubblicata sulla rivista Science on Thursday (2 ottobre). La ricerca del fermo Majorana è significativamente diversa dalla ricerca di altre particelle subatomiche che sono più illuminate nella stampa ampia. La caccia al bosone di Higgs (e particelle simili) richiede i più potenti acceleratori del pianeta per generare l'enorme collisione di energia necessaria per simulare le condizioni subito dopo il Big Bang. Questo è l'unico modo per isolare il bosone di Higgs in rapida decadenza, e quindi studiare i prodotti del suo decadimento.

Al contrario, il fermione di Majorana può essere rilevato solo in una sostanza dal suo effetto sugli atomi e sulle forze che lo circondano, quindi non sono necessari acceleratori potenti, ma è necessario l'uso di potenti microscopi a scansione tunnel. È inoltre necessaria una messa a punto molto fine del materiale target per isolare e visualizzare il fermione di Majorana.

Questo controllo rigoroso richiede un raffreddamento estremo dei sottili fili di ferro per garantire la superconduttività. La superconduttività si ottiene quando le fluttuazioni termiche di un materiale si riducono a tal punto che gli elettroni possono attraversare questo materiale con resistenza zero. Riducendo l'obiettivo a 272 gradi Celsius - a un grado sopra lo zero assoluto, o 1 Kelvin - si possono ottenere condizioni ideali per la formazione del fermione di Majorana.

"Questo dimostra che questo segnale (Majorana) esiste solo ai margini", ha detto Yazdani. "Questa è una firma chiave. Se non ce l'hai, allora questo segnale può esistere per altri motivi. " Esperimenti precedenti rimuovevano possibili segnali dal fermione di Majorana in installazioni simili, ma questa è la prima volta che un particolare segnale particellare è apparso, dopo aver rimosso tutte le fonti di interferenza, esattamente nel punto in cui è previsto. "Questo può essere ottenuto solo attraverso una configurazione sperimentale - semplice e senza l'uso di materiali esotici che potrebbero interferire", ha detto Yazdani.

"La cosa interessante è che è molto semplice: è piombo e ferro", ha detto.

È stato ora scoperto che ci sono alcune opportunità interessanti per diverse aree della fisica moderna, dell'ingegneria e dell'astrofisica.

Ad esempio, il fermione di Majorana interagisce debolmente con la materia ordinaria, così come il neutrino spettrale. I fisici non sono sicuri se i neutrini hanno un'antiparticella separata, o, come il fermo di Majorana, è la sua antiparticella. I neutrini abbondano nell'universo e gli astronomi spesso sottolineano che i neutrini sono una grande parte della materia oscura che si pensa riempia il cosmo. Probabilmente i neutrini sono uguali a particelle di Majorana e di Fermioni, ma anche i Majorana sono candidati alla materia oscura.

Esiste anche un'applicazione industriale potenzialmente rivoluzionaria se i fisici possono codificare la materia con i fermioni di Majorana. Attualmente, gli elettroni sono utilizzati nel calcolo quantico, potenzialmente creando computer in grado di risolvere sistemi precedentemente innumerevoli in un istante. Ma gli elettroni sono notoriamente difficili da controllare e spesso violano i calcoli dopo aver interagito con altri materiali che li circondano. Tuttavia, il fermione di Majorana, che interagisce estremamente debolmente con il materiale, è sorprendentemente stabile a causa della sua dualità materiale / antimateriale. Per questi motivi, gli scienziati possono utilizzare questa particella, applicandola tecnicamente nei materiali, nella codifica e, possibilmente, scoprendo sempre più nuovi metodi di calcolo quantistico.

Quindi, sebbene la sua scoperta non crei dramma e attaccamento di particelle relativistiche nelle camere a vuoto dei rivelatori LHC, la scoperta più sottile del Majorana può sviluppare un nuovo approccio alla materia oscura e fare una rivoluzione nell'informatica.

E, forse, l'attesa di 80 anni per la sua apertura è valsa la pena, dopo tutto.

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