Как была предсказана частица, которая сама себе античастица, кто доказал ее существование экспериментально, почему итальянский физик открыл нейтрон, но не стал публиковать об этом статью и куда он таинственно исчез, читайте в материале Indicator.Ru.

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. Общественное достояние

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.

Мы 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!