Эксперимент подтвердил существование истинно нейтральной частицы

Физики из США создали сверхпроводник, в котором наблюдали связанные состояния майорановских фермионов. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Science, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Принстонского университета.

Майорановский фермион является массивной частицей с полуцелым спином и нулевыми зарядами (электрическим, лептонным и другими), которая неотличима от своей античастицы. Теоретически ее существование было предсказано итальянским физиком Этторе Майорана (Ettore Majorana) в 1937 году.

Для обнаружения частицы исследователи создали топологический сверхпроводник, осаждая атомы железа на свинцовую поверхность и охлаждая систему до минус 272 градусов по Цельсию. При этом атомы железа расположили таким способом, что они образовали своего рода тонкую проволоку.

Используя мощный сканирующий туннельный микроскоп, специалистам удалось наблюдать связанные состояния майорановских фермионов в состоянии с минимальной энергией на концах сверхпроводящей проволоки. В отличие от предыдущих опытов других групп, в новом эксперименте ученым удалось непосредственно визуализировать квантовую вероятность, показывающую нахождение частицы Майораны.

Идею эксперимента предложил в 2001 году физик Андрей Китаев. Согласно его теоретическим расчетам, майорановские фермионы должны были находиться именно на концах сверхпроводящей проволоки из железа. Такие квазичастицы — особые коллективные состояния частиц — стабильны и, находясь на достаточном удалении друг от друга, не аннигилируют.

Их Китаев предложил использовать в качестве материальных носителей кубитов — квантовых обобщений классических битов. В отличие от последних, имеющих только два значения, 0 или 1, первые могут принимать любые значения, определяемые суперпозицией 0 и 1.

В 2012 году исследователи из Нидерландов сообщили о первых признаках обнаружения майорановских фермионов. Тогда экспериментаторы зарегистрировали в сверхпроводящей нанонити из антимонида индия скачок напряжения, возникший в результате прохождения электронов под действием магнитного поля через фермион Майораны.

Позднее, в 2013 году группе ученых из Университета штата Иллинойс удалось провести похожий эксперимент, в котором им удалось наблюдать уже не один, а два скачка напряжения. Такого результата они добились, уменьшив длину провода и меняя величину входного напряжения.

Открытие в физике конденсированного тела квазичастиц, обладающих свойствами фермионов Майораны, позволяет подтвердить теоретические выводы об их существовании. Кроме того, майорановские фермионы играют большую роль в расширениях Стандартной модели физики элементарных частиц. В частности, существуют предположение, что темная материя состоит из таких майорановских нейтрино.

Само существование таких частиц находится в противоречии с законами сохранения лептонного и барионного чисел. Тем не менее, в настоящее время ученые продолжают эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино. Их целью является проверка различных гипотез и ограничений на расширения Стандартной модели, в том числе суперсимметричных и с дополнительными пространственными измерениями.