Физики обнаружили частицу со свойствами материи и антиматерии

С первых дней появления квантовой теории физиков интересует вопрос, могут ли материя и антиматерия уживаться в одной частице. Впервые такой объект был предсказан итальянцем Этторе Майораной (Ettore Majorana) около 80 лет назад и был назван майорановским фермионом. С тех пор за неуловимой частицей началась долгая, но зачастую безуспешная охота.

Кроме интереса с точки зрения фундаментальной физики такой поиск несёт и вполне определённую практическую цель. Изучение свойств фермиона поможет сделать заметный шаг в области квантовых вычислений. В отличие от обыкновенных компьютеров, где вся информация кодируется нулями и единицами, квантовые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции и нести одновременно и оба значения. Такая способность открывает огромные возможности для выполнения самых сложных вычислений.

Согласно современным представлениям, материя и антиматерия при встрече уничтожают друг друга. Поэтому для существования фермион Майораны должен быть очень стабильным, а противоположные свойства составных частей должны делать его нейтральным, что приводит к слабому взаимодействию с окружающей средой.
Последние расчёты показали, что, вероятнее всего, фермион удастся найти на краю кристаллов некоторых материалов, а для этого не подходят инструменты, которые традиционно используются для наблюдения субатомных частиц, таких как бозон Хиггса.

Обычно для этих целей физики сталкивают ядра атомов между собой и регистрируют продукты их распада. В материалах о существовании того или иного элемента судят по изменению коллективных свойств атомов и окружающих их сил.

Специалисты утверждают, что в отличие от экспериментов на ускорителе такой подход позволяет чётко и безошибочно отличать одни частицы от других. Однако долгое время в поисках неуловимого фермиона не наблюдалось особого прогресса, пока в 2001 году российский физик Алексей Китаев не предсказал, что он в особых условиях может появляться на обоих концах сверхпроводящей проволоки. Частица должна возникать под действием некоторых типов сверхпроводимости, когда материал передаёт электричество практически без потерь, и сохранять стабильность, если проволока не слишком короткая.

В 2012 году команда из Делфтского технологического университета (TUDelft) заявила, что ей удалось мельком зарегистрировать фермион во время эксперимента с индуцированной сверхпроводимостью в проводнике антимонида индия. Однако многие учёные выражали сомнения, потому что наблюдаемые тогда свойства могли быть вызваны другими факторами. Дело в том, что исследователи из Нидерландов зарегистрировали нейтральный сигнал на концах проводника, но не продемонстрировали его отсутствия в других местах провода.

Али Яздани (Ali Yazdani) из Принстонского университета и его коллеги решили найти более весомые доказательства. Они предложили искать частицы в материалах, которые помимо сверхпроводимости обладают магнитными свойствами, а для непосредственного наблюдения использовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).

В качестве основы учёные использовали сверхчистый кристалл свинца, чьи атомы выстраиваются в идеально ровные линии. Затем исследователи поместили на полученную рифлёную подложку из свинца атомы железа, которые также выстроились в нити шириной в один атом и толщиной в три атома. При этом нити получились довольно длинными.

Полученную пластину с нитями физики поместили в специальную систему, охлаждающую материал до минус 272 градусов по Цельсию, что всего на градус выше абсолютного нуля.

Лишь после двух лет кропотливой работы учёные сумели визуализировать распределение электрически нейтрального сигнала по всей длине железной нити. На полученной карте хорошо видно, что сигнал проявляется только на концах провода, что подтверждает прогноз Китаева.

"Тот факт, что сигнал существует только на краю и есть ключевое доказательство, — объясняет Яздани. — Если бы он оказался где-то ещё, то можно было говорить о других причинах".

Учёные обращают внимание, что, несмотря на сложность используемого оборудования, их подход может быть широко использован в других научных центрах, потому что не требует редких дорогих материалов. Они также призывают изучить другие сверхпроводящие материалы с магнитными свойствами.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Science.

Вполне возможно, что майорановский фермион может оказаться близким по свойствам к другой субатомной частице — нейтрино. Неоднократно высказывались предположения, что на самом деле это одно и то же. Мало того, экзотическую частицу также подозревают в причастности к тёмной материи.