Каждая фундаментальная частица во Вселенной существует параллельно с античастицей, которая имеет точно такую же массу, но противоположный заряд. Встретившись, они аннигилируют друг с другом (проще говоря, уничтожают друг друга) с выбросом энергии. Однако учёные уже давно предположили, что есть исключение и из этого правила, касающееся определённых частиц, которые фактически являются собственными античастицами.
Теперь же исследователи из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли обнаружили первое веское доказательство существования этого типа частиц, которых они прозвали "ангельские частицы". Такое название было выбрано после выхода книги Дэна Брауна "Ангелы и демоны", в которой описывается бомба на основе частиц и античастиц.
Теория такого исключения берёт своё начало в 1937 году, когда физик Этторе Майорана нашёл пробел в фермионном семействе частиц. Поясним. Протоны, электроны, нейтроны, нейтрино и кварки являются фермионами, и все они имеют соответствующие античастицы. Но, согласно расчётам Майорана, должны существовать также частицы, которые одновременно являются собственными античастицами (широко известны под термином "фермионы Майораны").
Поскольку эти частицы не имеют заряда, нейтроны и нейтрино стали лучшими кандидатами на звание фермионов Майораны. Однако спустя время исследователи обнаружили антинейтроны. С нейтрино же ситуация более сложная: исследователи в настоящее время проводят эксперименты, пытаясь выяснить, являются ли они собственными античастицами. Так что в этом отношении вопрос пока остаётся открытым.
В то же время есть и другой способ отыскать загадочные частицы, посчитали американские исследователи и сфокусировались на квазичастицах. Как подсказывает их название, это не совсем природные частицы, но они возникают в результате коллективного поведения электронов и имеют определённые свойства частиц. Представить это довольно трудно, но здесь, пожалуй, поможет объяснение Британской энциклопедии, основанное на концепции пузырьков в напитке: "Пузырьки тоже возникают из-за "коллективного поведения" химических веществ напитка. Хотя они и не являются действительно независимыми объектами, пузырьки имеют измеримые свойства – размер, форму и так далее".
В общем-то почти таким же образом квазичастицы не могут возникать за пределами специфических условий, но они могут рассматриваться в качестве майорановских фермионов, если продемонстрируют нужные свойства. Недавно исследователи из США объявили, что они обнаружили "явную улику", которая указывает на существование этих гипотетических фермионов.
Физики тщательно сконструировали весьма специфический "напиток" (то есть условия при которых и возникают квазичастицы), состоящий из тонких плёнок двух квантовых материалов, положенных друг на друга. Цель – сделать так, чтобы квазичастицы проявили себя.
Конечным результатом было получение сверхпроводящего топологического изолятора, который позволяет электронам двигаться быстро по краям поверхности материала, но не через его центральную часть. Добавление небольшого количества магнитного материала в систему привело к тому, что поток электронов двигался в одном направлении вдоль одного края и в противоположном направлении вдоль другого края такого "сэндвича".
Затем исследователи проводили магнитом над материалом, что приводило к тому, что все электроны замедлялись, останавливались и изменяли направление перемещения. Реверсирование происходило в отрывистых, колеблющихся движениях, которые исследовали сравнили с лестничным пролётом.
Квазичастицы в итоге начали "выходить" из материала парами, путешествовали вдоль того же пути, что и электроны, но было одно важное отличие: когда они останавливались и начинали обратное движение, они делали это ступенчато. И "ступени" эти были ровно в два раза выше, чем у электронов. Причина в том, говорят специалисты, что по сути они являются только наполовину частицей, так как один элемент из каждой пары квазичастиц терялся по пути. Согласно выводам американских экспертов, этот феномен является точным доказательством, которое так долго искали учёные.
В долгосрочной перспективе майорановские фермионы могут найти применение при создании более надёжных квантовых компьютеров, отмечают они. Но до этого, конечно, предстоит проделать ещё очень большую научную работу.
Результаты исследования были представлены в журнале Science.
