Entdeckung der Majorana: Nach 80 Jahren Suche wurde ein mysteriöses Teilchen entdeckt.

Entdeckung der Majorana: Nach 80 Jahren Suche wurde ein mysteriöses Teilchen entdeckt.

Wissenschaftler der Princeton University verwendeten ein Rastertunnelmikroskop, um die atomare Struktur eines Eisendrahtes zu einem Atom auf einer Bleioberfläche zu zeigen. Der vergrößerte Teil des Bildes zeigt die Quantenwahrscheinlichkeit des Inhalts eines schwer fassbaren Partikels namens Majorana-Fermion im Draht. Es ist wichtig zu beachten, dass das Bild Partikel am Ende des Drahtes zeigt, genau dort, wo die theoretischen Berechnungen für viele Jahre vorausgesagt haben.

Wenn Sie dachten, dass die Suche nach dem Higgs-Boson - einem schwer fassbaren Teilchen, das Materiemasse ergibt - episch ist, dann denken Sie an die Physiker, die seit den 1930er Jahren nach einem Weg suchten, ein anderes subatomares Teilchen zu entdecken, das verborgen war, als die erste Annahme darüber aufkam.

Dank der Verwendung von zwei fantastischen Großmikroskopen wurde dieses sehr seltsame und möglicherweise revolutionäre Partikel entdeckt.

Stellen Sie sich die Majorana-Fermion vor, ein Teilchen, das auch sein eigenes Antiteilchen ist, ein Kandidat für die Dunkle Materie und ein möglicher Vermittler des Quantencomputers.

Fermion Majorana ist nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana benannt, der eine Theorie formuliert hat, die dieses einzigartige Teilchen beschreibt. Im Jahr 1937 sagte Majorana voraus, dass in der Natur ein stabiles Teilchen existieren kann, das sowohl Materie als auch Antimaterie ist. In unserer täglichen Erfahrung gibt es auch Materie (die in unserem Universum im Überfluss vorhanden ist) und Antimaterie (die äußerst selten ist). Treffen Materie und Antimaterie aufeinander, vernichten sie sich und verschwinden in einem Energieschub. Eines der größten Geheimnisse der modernen Physik ist, wie das Universum mehr Materie als Antimaterie wurde. Die Logik schreibt vor, dass Materie und Antimaterie Teile derselben Sache sind, wie die gegenüberliegenden Seiten einer Münze, und im selben Tempo hätten erzeugt werden sollen. In diesem Fall wäre das Universum zerstört worden, bevor es sich etablieren konnte. Einige Prozesse nach dem Urknall haben jedoch gezeigt, dass mehr Materie als Antimaterie produziert wurde. Daher ist es wichtig, dass Materie gewonnen wird, die das Universum ausfüllt, das wir heute kennen und lieben.

Die Majorana-Fermion unterscheidet sich jedoch in ihren Eigenschaften und ist auch ein Antiteilchen. Während das Elektron Materie und das Positron das Antimaterialteilchen des Elektrons ist, ist die Majorana-Fermion sowohl Materie als auch Antimaterie. Es ist diese materielle / anti-materielle Dualität, die es in den letzten 8 Jahren so schwierig gemacht hat, diese kleine Bestie aufzuspüren. Aber die Physiker haben es getan, und um diese Aufgabe zu erfüllen, brauchte es enormen Einfallsreichtum und ein enorm großes Mikroskop.

Die Theorie zeigt, dass sich die Majorana-Fermion am Rand anderer Materialien erstrecken sollte. So schuf ein Team der Princeton University einen Eisendraht in ein Atom, das auf der Bleioberfläche dick ist, und erhöhte das Drahtende mit einem Megamikroskop im Labor für ultraniedrige Schwingungen in Yadwin Hall in Princeton.

"Dies ist die einfachste Möglichkeit, die Majorana-Fermion zu sehen, die voraussichtlich am Rand einiger Materialien entsteht", sagt der führende Physiker Ali Yazdani von der Princeton University, New Jersey, in einer Pressemitteilung. "Wenn Sie dieses Partikel im Material finden möchten, müssen Sie ein Mikroskop verwenden, mit dem Sie sehen können, wo es sich wirklich befindet." Yazdanis Forschungsergebnisse wurden am Donnerstag (2. Oktober) in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Die Suche nach dem Fermoion Majorana unterscheidet sich erheblich von der Suche nach anderen subatomaren Partikeln, die in der breiten Presse stärker beleuchtet werden. Die Jagd nach dem Higgs-Boson (und ähnlichen Teilchen) erfordert die stärksten Beschleuniger auf dem Planeten, um die enorme Energiekollision zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Bedingungen kurz nach dem Urknall zu simulieren. Dies ist die einzige Möglichkeit, das schnell zerfallende Higgs-Boson zu isolieren und dann die Produkte seines Zerfalls zu untersuchen.

Im Gegensatz dazu kann die Majorana-Fermion in einer Substanz nur durch ihre Wirkung auf die Atome und die sie umgebenden Kräfte nachgewiesen werden. Es sind also keine leistungsfähigen Beschleuniger erforderlich, sondern die Verwendung leistungsfähiger Rastertunnelmikroskope. Eine sehr feine Abstimmung des Zielmaterials ist auch erforderlich, damit die Majorana-Fermion isoliert und angezeigt werden kann.

Diese strenge Kontrolle erfordert eine extreme Kühlung der dünnen Eisendrähte, um die Supraleitung sicherzustellen. Die Supraleitung wird erreicht, wenn die thermischen Schwankungen eines Materials so weit verringert werden, dass Elektronen ohne Widerstand durch dieses Material gelangen können. Durch Reduzierung des Ziels auf 272 Grad Celsius - auf ein Grad über dem absoluten Nullpunkt oder 1 Kelvin - können ideale Bedingungen für die Bildung der Majorana-Fermion erreicht werden.

"Dies zeigt, dass dieses (Majorana-) Signal nur am Rand existiert", sagte Yazdani. „Dies ist eine Schlüsselsignatur. Wenn Sie es nicht haben, kann dieses Signal aus anderen Gründen vorhanden sein. " Frühere Experimente haben mögliche Signale von der Majorana-Fermion in ähnlichen Installationen entfernt, aber dies ist das erste Mal, dass ein bestimmtes Teilchensignal nach Entfernen aller Störquellen genau an der Stelle aufgetreten ist, an der es sich voraussichtlich befindet. "Dies kann nur durch einen Versuchsaufbau erreicht werden - einfach und ohne die Verwendung von exotischen Materialien, die stören könnten", sagte Yazdani.

"Interessant ist, dass es sehr einfach ist: Es ist Blei und Eisen", sagte er.

Es wurde nun herausgefunden, dass es einige interessante Möglichkeiten für verschiedene Bereiche der modernen Physik, Technik und Astrophysik gibt.

Zum Beispiel interagiert die Majorana-Fermion schwach mit gewöhnlicher Materie, ebenso wie das gespenstische Neutrino. Die Physiker sind sich nicht sicher, ob Neutrinos ein separates Antiteilchen haben oder wie das Fermoion von Majorana ein eigenes Antiteilchen ist. Neutrinos gibt es im Universum im Überfluss, und Astronomen weisen häufig darauf hin, dass Neutrinos einen großen Teil der dunklen Materie ausmachen, von der angenommen wird, dass sie den Kosmos füllt. Wahrscheinlich sind Neutrinos mit Partikeln von Majorana und Fermionen identisch, und Majorana ist auch ein Kandidat für die Dunkle Materie.

Es gibt auch eine potenziell revolutionäre industrielle Anwendung, wenn Physiker Materie mit Majorana-Fermionen kodieren können. Gegenwärtig werden Elektronen beim Quanten-Computing verwendet, wodurch möglicherweise Computer entstehen, die früher unzählige Systeme in einem Augenblick lösen können. Elektronen sind jedoch notorisch schwer zu kontrollieren und verletzen oft Berechnungen, nachdem sie mit anderen Materialien in ihrer Umgebung in Wechselwirkung getreten sind. Die Majorana-Fermion, die extrem schwach mit dem Material interagiert, ist jedoch aufgrund ihrer Material / Anti-Material-Dualität überraschend stabil. Aus diesen Gründen können Wissenschaftler dieses Teilchen nutzen, es technisch in Materialien anwenden, codieren und möglicherweise immer neue Methoden des Quantencomputers entdecken.

Obwohl seine Entdeckung in den Vakuumkammern der LHC-Detektoren kein Drama und kein Zusammenkleben relativistischer Teilchen hervorruft, kann die subtilere Entdeckung des Majorana einen neuen Ansatz für die Dunkle Materie entwickeln und das Rechnen revolutionieren.

Und vielleicht hat sich das 80-jährige Warten auf die Eröffnung doch gelohnt.

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