Παρατηρήθηκε τo σωματίδιο του Ettore Majorana. New Particle Discovered After 80 Years Of Searching

Το κυνήγι του φερμιονίου Majorana άρχισε από την δεκαετία του 1930, όταν ο Ιταλός φυσικός Ettore Majorana προέβλεψε πως ένα σταθερό σωματίδιο θα μπορούσε να είναι τόσο ύλη όσο και αντιύλη. Έκτοτε πλήθος σωματιδίων παρατηρήθηκε, όμως η έμπνευση του Majorana παρέμενε άπιαστη. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2010… Ettore Majorana, who hypothesised the existence of Majorana fermions in 1937.

O Ettore Majorana (Έττορε Mαγιοράνα) γεννήθηκε στις 5 Αυγούστου του 1906 στην Κατάνια της Σικελίας. Από μικρός έδειξε ότι επρόκειτο για μια μεγαλοφυΐα, ένα παιδί-θαύμα, κυρίως εξαιτίας των ικανοτήτων του στα μαθηματικά. Το 1928 παράτησε τη σχολή των πολιτικών μηχανικών και αποφάσισε να γίνει θεωρητικός φυσικός. Εντάχθηκε στην ομάδα του Enrico Fermi στο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Ρώμης, και έγινε ένα από τα «παιδιά της οδού Πανισπέρνα».

Οι εκπληκτικές ικανότητες του Ettore στα μαθηματικά και η διαίσθησή του στη φυσική του προσέδωσαν μια αύρα «θεόσταλτου ταλέντου», πέρα από τις ανθρώπινες δυνατότητες. Φαινόταν σαν υπεράνθρωπος που απλώς «συναντούσε» τις απαντήσεις εκεί που οι άλλοι έπρεπε να τις αναζητήσουν, να εργαστούν σκληρά, χωρίς καν να είναι σίγουροι ότι θα τις έβρισκαν.

Enrico Fermi (at left) with a group of physicists that includes Ettore Majorana, by the Leaning Tower of Pisa, date unknown. Photograph by Nello Carrara, courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives. Donated by Eugenio Carrara.

Η πρώτη του εργασία δημοσιεύθηκε το 1928 όταν ακόμα ήταν προπτυχιακός φοιτητής και ήταν σχετική με μια διαφορική εξίσωση του Fermi που κατέχει κεντρική θέση στο στατιστικό μοντέλο Thomas–Fermi για το άτομο.

Το 1932 οι Irène Joliot-Curie και Frédéric Joliot πραγματοποίησαν πειράματα τα οποία έδειχναν την ύπαρξη ενός άγνωστου σωματιδίου. Και ενώ οι Joliot νόμισαν ότι πρόκειται για ακτίνα γ, ο Majorana ήταν ό πρώτος που ερμήνευσε σωστά το πείραμα θεωρώντας ένα νέο σωματίδιο, χωρίς ηλεκτρικό φορτίο και μάζα περίπου όση το πρωτόνιο. Αυτό το σωματίδιο ήταν το νετρόνιο. Ο Fermi υπέδειξε στον Majorana να γράψει ένα σχετικό άρθρο, αλλά αυτός δεν το έκανε. Τελικά ο James Chadwick απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη του νετρονίου ένα χρόνο μετά και βραβεύθηκε με το Nobel φυσικής για την ανακάλυψη αυτή.

Ο Majorana δεν ενδιαφερόταν να δημοσιεύει όλες τις ιδέες του, που ενώ τις περισσότερες φορές ήταν πρωτότυπες και μοναδικές ο ίδιος τις θεωρούσε κοινότυπες. Έτσι, συνολικά δημοσίευσε μόνο 9 εργασίες στην διάρκεια της ζωής του.

Στις αρχές του 1933 ο Majorana πήγε στη Λειψία, συνάντησε τον Heisenbeg με τον οποίο έγιναν φίλοι, και στη συνέχεια επισκέφτηκε την Κοπεγχάγη όπoυ συνεργάστηκε με τον Niels Bohr.

Όμως, το φθινόπωρο του 1933 επέστρεψε στην Ιταλία με την υγεία του σε κακή κατάσταση, με οξεία γαστρίτιδα και νευρική εξάντληση. Για 4 χρόνια απομονώθηκε και διέκοψε τις σχέσεις με τους φίλους του και δεν έκανε καμία δημοσίευση.

Επέστρεψε στην ακαδημαϊκή ζωή ως καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο πανεπιστήμιο της Νάπολης, παρακάμπτοντας τις τυπικές διαδικασίες διορισμού, λόγω της εξαιρετικής φήμης και εμπειρίας που απέκτησε στον τομέα της θεωρητικής φυσικής.

Το 1938 ο ιδιοφυής φυσικός Ettore Majorana, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Nάπολης, επιβιβάστηκε στο φέρυ μπόουτ που κάνει τη διαδρομή Nάπολη – Παλέρμο. Από τότε αγνοούνται τα ίχνη του. Ettore Majorana was maybe the most brilliant student of Enrico Fermi, and an outstanding physicist. He disappeared on March 25th 1938 at the age of 32 years, under mysterious circumstances and leaving no trace behind. The hypothesis that he committed suicide appears weak in the face of his withdrawing a conspicuous amount of money from his bank on the eve of his disappearance -he had a rational mind and such an action would have made little sense. Other hypotheses include an escape to Argentina, and even a collaboration with the third reich in Germany, where he had previously worked -Majorana had expressed anti-jew ideas in the past.

Ενώ η τελευταία εργασία του Majorana δημοσιεύθηκε το 1937, σχετικά με μια συμμετρική θεωρία των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων, ένα χρόνο μετά στις 27 Μαρτίου του 1938 ο Majorana εξαφανίστηκε μυστηριωδώς κατά τη διάρκεια της μετάβασής του με πλοίο από το Παλέρμο στη Νάπολη. Από τότε αγνοούνται τα ίχνη του. Οι έρευνες δεν οδήγησαν πουθενά, το πτώμα του δεν βρέθηκε ποτέ, άλλοι μιλάνε γι’ αυτοκτονία και άλλοι ότι κρύφτηκε στη Νότιο Αμερική…

Το σωματίδιο Majorana

Οι φυσικοί του πανεπιστημίου Princeton (από αριστερά ο μεταπτυχιακός φοιτητής Ilya Drozdov, ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Sangjun Jeon, και οι καθηγητές B. Andrei Bernevig και Ali Yazdani) ποζάρουν μπροστά στο ισχυρότατο μικροσκόπιο σάρωσης με το οποίο “είδαν” το σωματίδιο Majorana. Princeton University physicists built a powerful imaging device called a scanning-tunneling microscope and used it to capture an image of an elusive particle that behaves simultaneously like matter and antimatter. To avoid vibration, the microscope is cooled close to absolute zero and is suspended like a floating island in the floor above. The setup includes a 40-ton block of concrete, which is visible above the researchers. The research team includes, from left, graduate student Ilya Drozdov, postdoctoral researcher Sangjun Jeon, and professors of physics B. Andrei Bernevig and Ali Yazdani. (Photo by Denise Applewhite, Office of Communications)

Ο Majorana, εκτός των άλλων, εισήγαγε μια κυματική εξίσωση, την εξίσωση Majorana – παρόμοια με την εξίσωση Dirac – η λύση της οποίας οδηγεί στην ύπαρξη ουδέτερων σωματιδίων, με σπιν ½ που ταυτίζονται με τα αντισωματίδιά τους. Αποκαλούνται φερμιόνια Majorana.

Ακόμα και σήμερα, οι φυσικοί ερευνούν αν υπάρχουν νετρίνα που έχουν τις ιδιότητες του σωματιδίου Majorana, ενώ υπάρχουν υπερσυμμετρικές θεωρίες που απαιτούν την ύπαρξη φερμιονίων Majorana ως υπερσυμμετρικούς συντρόφους μποζονικών πεδίων με σπιν 0 ή 1.

Two Majorana fermions (orange balls) are formed at the end of the nanowire. Electrons enter the nanowire from the Gold contact, and meet the Majorana fermion on the way. If the electron has the wrong energy (red ball), it is reflected back into the contact. If it has the right energy (green balls), it can go through the Majorana fermion via a special interaction. © TU Delft 2012

Τον Απρίλιο του 2012 ερευνητές ανακοίνωσαν ότι κατέγραψαν μια ροή ηλεκτρονίων σε ένα εξαιρετικά λεπτό ημιαγώγιμο καλώδιο, που συμπεριφερόταν σαν φερμιόνια Majorana.

Κάτι παρόμοιο ανακοίνωσαν προχτές ερευνητές του πανεπιστημίου Princeton στο περιοδικό Science με την εργασία τους “Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor”. Σύμφωνα με την μελέτη αυτή, κατάφεραν να παρατηρήσουν το μόνο φερμιόνιο που συμπεριφέρεται και σαν ύλη και σαν αντιύλη, ένα επίτευγμα που θα μπορούσε να χρησιμεύσει την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών.

Το πείραμα αποκάλυψε την ατομική δομή του σύρματος σιδήρου πάνω σε μια επιφάνεια μολύβδου. Το μεγεθυμένο τμήμα της εικόνας απεικονίζει την πιθανότητα του να περιέχεται στο σύρμα το φερμιόνιο Majorana. Το σωματίδιο εντοπίζεται στην άκρη του σύρματος όπως προβλέπουν οι θεωρητικοί υπολογισμοί. The experiment revealed the atomic structure of the iron wire on a lead surface. The zoomed-in portion of the image depicts the probability of the wire containing the Majorana fermion. Importantly, the image pinpoints the particle to the end of the wire, which is where it had been predicted to be over years of theoretical calculations. (Image courtesy of Ali Yazdani Lab)

Για να εντοπίσουν το σωματίδιο Majorana οι ερευνητές του Princeton χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο ύψους δύο ορόφων, συλλαμβάνοντας την εικόνα του στην άκρη ενός πολύ λεπτού σύρματος, ακριβώς εκεί όπου προέβλεπε η θεωρία.

Σύμφωνα με τον Ali Yazdani: «αυτός είναι ο πιο άμεσος τρόπος για να εντοπίσει κανείς τα φερμιόνια Majorana, δεδομένου ότι αναμένεται να εμφανιστούν στην άκρη ορισμένων υλικών. Αν θέλετε να βρείτε αυτό το σωματίδιο μέσα σε ένα υλικό θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα τέτοιο μικροσκόπιο».

Εκτός από τις επιπτώσεις στη θεμελιώδη φυσική, αυτή η ανακάλυψη θα βοηθήσει σημαντικά στην εξέλιξη της κατασκευής κβαντικών υπολογιστών. Στους κβαντικούς υπολογιστές αντί για το bit που παίρνει δυο τιμές 0 και 1, χρησιμοποιείται το qubit που εκτός από τις τιμές των καταστάσεων 0 και 1 (π.χ. η κατάσταση ενός ηλεκτρονίου με σπιν πάνω παριστάνει το 0 και η κατάσταση με σπιν κάτω το 1), μπορεί να βρίσκεται και στην υπέρθεση αυτών των δυο καταστάσεων. Και ενώ από την μια μεριά αυτή η δυνατότητα δίνει τεράστιες υπολογιστικές δυνατότητες, από την άλλη μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης είναι πολύ εύκολο να καταρρεύσει εξαιτίας των αλληλεπιδράσεων με τα κοντινά υλικά.

Επειδή τα φερμιόνια Majorana είναι πολύ σταθερά και αλληλεπιδρούν ασθενώς με το περιβάλλον τους, σύμφωνα με τους επιστήμονες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως qubit, θέτοντας μια νέα βάση για την κβαντική πληροφορική.

Το βίντεο δείχνει πως οι ερευνητές τοποθετούν πρώτα άτομα σιδήρου σε μια επιφάνεια μολύβδου ώστε να δημιουργηθεί ένας λεπτός, ατομικών διαστάσεων, υπεραγωγός στη θερμοκρασία των -272ο C. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το μικροσκόπιό τους για να δημιουργήσουν ένα μαγνητικό πεδίο και να καθορίσουν το σήμα που δείχνει την παρουσία του φερμιονίου Majorana. Princeton University researchers first deposited iron atoms onto a lead surface to create an atomically thin wire. They then used a scanning-tunneling microscope to create a magnetic field and to map the presence of a neutral signal that indicates the presence of Majorana fermions, which appeared at the ends of the wire. Credit: Ilya Dorzdov, Yazdani Lab, Princeton University

Σύμφωνα με τον Yazdani, η παρατήρηση του φερμιονίου Majorana δεσμευμένου μέσα σε ένα υλικό είναι κάτι εντελώς διαφορετικό σε σχέση με τα σωματίδια που ανακαλύπτονται στους επιταχυντές, όπου σωματίδια συγκρούονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες, παράγοντας καινούργια σωματίδια.

Το σωματίδιο Majorana μέσα στο υπεραγώγιμο υλικό εξαρτάται – ή αναδύεται – από τις συλλογικές ιδιότητες των ατόμων και των δυνάμεων που αναπτύσσονται μέσα στο υλικό. 

Τέτοιου είδους «εν δυνάμει» σωματίδια επειδή προκύπτουν από τις συλλογικές ιδιότητες του υλικού, δεν μπορούν να υπάρξουν έξω αυτό.

Πηγές: www.princeton.edu – Joao Magueijo, «Ο άνθρωπος νετρίνο», εκδόσεις Τραυλός, 2009.