Спустя 80 лет после предсказания,
физики доказали существование
майорановского фермиона
С находкой бозона
Хиггса — знаменитой частицы Бога — в физике проблемы отнюдь не закончились.
После восьмидесяти лет отчаянных поисков частица, которая одновременно является
и античастицей самой себе, — майорановский фермион — наконец-то попалась на
экспериментальную удочку физиков. Пряность тут совсем ни при чем: о
существовании такой частицы впервые заговорил великий итальянский физик Этторе
Майорана в 1937 году.
 |
|
Этторе
Майорана
|
Пожалуй, слово
«великий» к Майоране на самом деле не относится, гораздо правильнее было бы
назвать его гениальным. Его немногочисленные теоретические работы остаются
актуальными до сих пор. Работая в группе Энрико Ферми, он, ничего не понимая в
эксперименте, превосходил всех коллег, иногда включая даже и Ферми (по его же
собственному признанию), в своих способностях к математике. Стать великим ему
мешали слишком высокие требования к самому себе. Так, он открыл нейтрон и
отказался писать об этом статью, поскольку считал свое открытие незначительным.
В результате Майорана опубликовал всего девять научных статей. Он был нелюдим и
очень пессимистичен, с ним было трудно иметь дело, хотя часто и охотно он
помогал коллегам в их теоретических затруднениях.
Закончилась жизнь
Майораны тоже странно: он снял свои сбережения, сел на пароход, ведущий из
Неаполя в Палермо, и больше о нем никто ничего не слышал. Многие уверены, что
он, подобно герою Джека Лондона Мартину Идену, покончил тогда жизнь
самоубийством, бросившись с корабля в море... Хотя существуют непроверенные
сведения о том, что его видели лет через двадцать после того где-то в Южной
Америке.
Майорана считается
одним из авторов теории строения ядра, поскольку первым заявил о существовании
нейтрино, обнаруженном до того в эксперименте семейства Жолио-Кюри. Он сделал
много того, что заслуживало бы Нобелевской премии, но что сам он считал
несущественным. Статья о частицах-античастицах была опубликована за несколько
месяцев до исчезновения (в переводе на английский ее можно прочитать на сайте
Принстонского университета).
В этой статье Майорана
говорил о фермионах, то есть частицах с полуцелым спином, у которых к тому же
нулевой электрический заряд. Физик считал, что именно среди них должны быть
частицы, которые в точности совпадают со своими античастицами. Фермионы нужны
были Майоране для того, чтобы созданное им уравнение получило реальный смысл.
Поиски этой частицы в дальнейшем проводились в основном чисто теоретически.
Единственное
экспериментальное исключение относится к нейтрино. Есть подозрение, что
нейтрино-то как раз и относится к фермионам Майораны, но подозрение это можно
проверить только в ходе чрезвычайно сложных экспериментов, которые уже начались.
Ответ на этот вопрос эксперименты смогут дать не ранее, чем лет через десять, и
то при большом везении.
И вот теперь команда
физиков из Стэнфордского и Калифорнийского (в Лос-Анджелесе) университетов
заявила об убедительном экспериментальном доказательстве того, что фермион
Майораны действительно существует. Статью об этом они опубликовали в последнем
номере журнала Science.
Правда, это не совсем
та частица, которую искали. То есть это даже и вовсе не частица, а
квазичастица, то есть волновое возмущение, которое в данном случае имеет те же
характеристики, что проявил бы и реальный фермион Майораны, окажись он там.
Причем это был бы фермион с еще более экзотическими качествами, чем тот набор,
который 80 лет назад предложил Майорана. А что до «квазистости» частицы,
полученной авторами статьи, так это ничего не меняет: при использовании в
будущих квантовых компьютерах, до которых, правда, тоже еще надо дожить, вполне
себе пригодится и квазичастица.
То, что обнаружили
исследователи, можно назвать «хиральным» фермионом Майораны. Хиральность в
топологическом смысле означает зеркальность двух структур, которые невозможно
совместить: например, руку (правую или левую, неважно) и ее отражение в
зеркале. В данном случае хиральность означает только то, что обнаруженный
экспериментально фермион Майораны в одномерном пространстве может двигаться
только в одном направлении.
 |
|
Пример
хиральности у аминокислот
Wikimedia
Commons
|
Стенфордский теоретик
Шоу Чэн Чжан предложил идею, согласно которой искомая квазичастица может быть
порождена (и обнаружена!) при соединении двух пленок из экзотических
материалов. Одна из этих пленок представляет собой сверхпроводник, а другая —
так называемый магнитный топологический изолятор. В теле вещества этот материал
— абсолютный изолятор, а по его краям и поверхностям — проводник. Шоу Чэн Чжан
предложил наложить друг на друга две этих пленки, превратив таким образом
полученную структуру в топологический сверхпроводник, а вдобавок поместив эту
двойную пленку между полюсами магнита. Это, по его расчетам, сделало бы края и
поверхности двойной пленки сверхпроводником, а наложение магнитного поля, в
зависимости от его величины, привело бы к замедлению электронов, полной их
остановке или вообще движению в обратном направлении. Поскольку эффект носит
квантовый характер, то изменение магнитного поля должно было влиять на события
в двойной пленке скачками, подобно передвижению по ступенькам лестницы.
 |
|
Схема
эксперимента
Science
|
Электроны при
сверхпроводимости, как известно, движутся парами. На определенных ступеньках
этой лестницы, по Чжану, такие пары и приводят к рождению пар квазичастиц, в
точности соответствующих фермионам Майораны. Найдя такую ступеньку, можно уже
говорить не об электронах (которые там на самом деле и заправляют всей
музыкой), а о неуловимых до сих пор фермионах. Так, по крайней мере, себя
поведет вся система. Теперь, если из каждой пары выбросить одну квазичастицу,
то станет возможным регистрировать поток оставшихся квазичастиц и измерять их
скорость по мере изменения магнитного поля. Но поскольку речь в таком случае
пойдет не об электронах, а о фермионах Майораны, пусть даже и квази-, то и
ступеньки лестницы претерпят серьезное изменение. Их, утверждает теория
стэнфордского физика, станет вдвое больше, то есть высота каждой ступеньки
уменьшится в два раза.
Не будем нагружать
читателя довольно головоломной теорией, лежащей в основе эксперимента, и не
менее головоломным его устройством, ограничимся результатом: предсказания Шоу
Чэна Чжана полностью подтвердились экспериментально, и ученые впервые наблюдали
убедительное подтверждение существования фермионов Майораны, пусть даже и в их
квази-состоянии. Ступеньки укоротились именно вдвое.
Похоже, что физик и сам
не на шутку восхитился своей теорией, поскольку решил обозвать свой фермион
Майораны частицей-ангелом, отсылая к бомбе из антивещества из романа «Ангелы и
демоны» Дэна Брауна. Если миром, считает он, правит тайная связь ангелов с
дьяволами, даже на уровне микромира, доказательством чему можно счесть
аннигиляцию частицы с античастицей, то в квантовом мире фермиона Майораны есть
только ангелы, летящие исключительно в одну сторону. И никаких дьяволов!
Владимир Покровский