Valami nagyon furcsa dolgot hoztak létre a fizikusok

2014.10.07. 10:30

Először sikerült előállítani olyan kvázirészecskéket, amelyek úgy viselkednek, mintha a saját antirészecskéik lennének. A Majorana-részecskék segíthetnek megoldani a hiányzó antianyag galaxisok, sőt akár a sötét anyag rejtélyét is.

A legtöbb részecskének van egy antirészecske párja. Sőt, léteznek antimolekulák, és elméletben létezhetnének antianyag galaxisok is. Közöttük a különbség mindössze annyi, hogy a töltésük ellentétes, minden más szempontból megegyeznek. Amikor egy részecske és antirészecskéje találkozik, akkor mindketten elpusztulnak, annihilálódnak, a bennük tárolt energia pedig általában két foton formájában kisugárzódik. Ezzel a jókora felszabaduló energiával próbált robbantgatni a bíboros kamarás Dan Brown Angyalok és démonok című regényében. Még ha ilyen bomba nem is, antirészecskék valóban léteznek, sőt úgy tűnik, van olyan részecske, ami a saját antirészecskéje is lehet egyben.

Kettő az egyben

Ezt a gondolatot Ettore Majorana olasz fizikus vetette fel először 1937-ben. Az elmélet nem kavart túl nagy port, mivel sosem észleltek egyszerre anyag- és antianyag-részecskéket, vagyis az elméletet még nem sikerült bizonyítani. Ha léteznek ilyen részecskék, annyira különlegesek, hogy a részecskefizika szabálykönyvének tekinthető Standard Modell nem is érvényes rájuk. Majorana azt is felvetette, hogy ezeknek a – később az olasz fizikus tiszteletére Majorana-részecskéknek nevezett – részecskéknek a tömege is a hagyományostól eltérő módon alakul ki. A Majorana-részecskék nem engedelmeskednek a Nobel-díjas trió, Brout–Englert–Higgs elméletének sem.

A rejtélyes fizikus
Ettore Majorana élete olyan különleges volt, mint a részecskéi. Enrico Fermi szerint a szicíliai fizikus akkora zseni volt mint Newton és Galilei: 1937-ben csupán hírneve elég volt ahhoz, hogy a Nápolyi Egyetem elméleti fizika professzorává nevezzék ki. Ezt mégsem élvezhette sokáig, mivel egy évre rá, 32 évesen egy Palermo és Nápoly között hajóút alatt nyoma veszett. Mielőtt eltűnt volna, levelet írt tanszéke igazgatójának, előre elnézést kérve azért a galibáért amit eltűnése fog okozni. Holttestét azóta sem találták meg.

A neutrínókkal mindig baj van

A Standard Modell szerint a neutrínóknak nincs tömegük, a mérések viszont ennek az ellenkezőjét mutatják: úgy tűnik, van nekik, de egyelőre nem tudni, hogy miért. A neutrínók ráadásul elektromosan semlegesek. Több fajtájuk van, mindegyikhez tartozik elvileg antineutrínó is, de ezeket nem tudjuk megkülönböztetni – lehet, hogy azok ők maguk, részecskék és antirészecskék egyben. Ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően a neutrínóknak van a legnagyobb esélyük arra, hogy érvényes legyen rájuk Majorana elmélete. Ha létezik Majorana-részecske, az valószínűleg egy neutrínó.

Sudbury Neutrínó Obszervatórium – a neutrínók észlelése rettentő nehézkes, mivel szinte semmivel nem lépnek kapcsolatba, az egész Föld bolygón is könnyűszerrel áthaladnakForrás: AFP/Files

Hol van az antianyag?

Nem az a meglepő állítás, hogy létezhetnének antianyag galaxisok, antibolygókkal (esetleg anti-földönkívüliekkel) hanem az, hogy még nem találtunk egyet sem. A természeti törvények általában szimmetrikusak, akkor miért van mégis több anyag, mint antianyag? Nincs semmilyen oka annak, hogy a részecskék "fontosabbak" legyenek, mint az antirészecskék, és az univerzum "kivételezne" velünk. Ha valóban léteznek olyan részecskék, amelyek antirészecskék is egyben, az talán megmagyarázhatná ezt a különös aszimmetriát.

Hol van a tömeg?

A kozmológia másik nagy kérdése a sötét anyag rejtélye. Jelenleg ugyanis úgy tűnik, hogy az univerzum jókora része olyan anyagból áll, ami láthatatlan, de mégis tömeggel rendelkezik. A Standard Modell erre sem ad választ, de elképzelhető, hogy a Majorana-részecskék máshonnan eredezhető tömege igen.

Találtak is ilyen részecskét?

Sajnos nem, ezért inkább készítettek egyet. A Princeton Egyetem kutatóinak sikerült előállítaniuk olyan kvázirészecskéket, amelyek Majorana-részecskeként viselkednek. A kutatócsoport által létrehozott, egyetlen atom szélességű szupravezető vashuzal végein ugyanis olyan objektumok ülnek, amelyek kísértetiesen hasonlítanak egy Majorana-részecskéhez. Fontos leszögezni, hogy ezek nem valódi részecskék, és nem is neutrínók. Egyelőre nem oldják meg sem a sötét anyag, sem a hiányzó antirészecskék rejtélyét, de mindenképpen közelebb visznek hozzá. Modellként szolgálhatnak, melynek tanulmányozásával a valódi Majorana-részecskék tulajdonságaira is fény derülhet – már ha léteznek. A modellek rendkívül fontosak a fizikában: a rácsban lévő atomok elrendezőzésének kérdését például harisnyába tömött fémgolyókkal sikerült tisztázni.

A szupervékony vezeték végén pirosodik a Majorana-kvázirészecskeForrás: Yazdani Lab, Princeton University

A részecske-antirészecske "kettő az egyben" jellege jó hír a kvantuminformatikának is. A Majorana-részecske szilárdtestfizikai modellje ugyanis nemcsak szép, de hasznos is: már most, kvázirészecske formában meglehetősen stabil, nem szívesen lép kapcsolatba a környezetével. Ez gyakorlati szempontból nagyon előnyös, mivel a jelenlegi kvantumszámítógépek esetén jókora távolságokra kell ültetni a kvantumrészecskéket ahhoz, hogy ne zavarják egymást. Ezekből a kvázirészecskékből viszont akár kis méretű kvantumszámítógép is építhető.