Materijos tiesa: Majorana dalelės paslaptis

Ah, materija yra materija, o antimaterija yra antimaterija ir niekad jos nesusitiks. Ši eilutė turi savyje poetiškos tiesos – tikriausiai dar daugiau, nei Reidjardo Kiplingo originalas apie rytus ir vakarus. Galiausiai, jei medžiaga ir antimedžiaga susitinka, jos viena kitą sunaikina, anihiliuodamos šviesos blyksnyje.

Ar tikrai? Beveik iš karto po antimaterijos pasirodymo scenoje prieš 80 metų, buvo paskelbta kita galimybė: tam tikros, pagal idėjos autoriaus pavardę vadinamos Majorana'o dalelės, gali būti materija ir antimaterija tuo pačiu metu. To įrodymas būtų labai svarbus. Tai galėtų padėti nustatyti dominuojančios kosmose tamsiosios materijos prigimtį ir atskirti geresnės, visa apimančios visko teorijos kandidatus. Tai netgi galėtų paaiškinti didžiausią materialumo paslaptį: kodėl materija išvis egzistuoja.

Kol kas šių intriguojančių dvilypių dalelių paieškos buvo bevaisės. Kai kas mano, kad milijonai jų skrodžia mus kiekvieną sekundę, tik neturime apčiuopiamų to įrodymų. Kiti spėja, kad surasime jas iš Didžiojo hadronų priešpriešinių srautų greitintuvo, CERN dalelių fizikos laboratorijos prie Ženevos, Šveicarijoje. Kol kas niekas netiko.

Aiškus matymas

Tačiau dabar šie materijos-antimaterijos hibridai, panašu, aptikti – ne kosminiuose spinduliuose ar dalelių susidūrimų nuolaužose, o užspęsti kieto superlaidininko viduje. Ar Majorana'o dalelių paslaptis galiausiai atskleista?

Ettore Majorana turėjo talentą paslaptims. Keistas italų fiziko dingimas, keliaujant iš Palermo į Neapolį 1938-ųjų pavasarį, gyvai tebediskutuojamas. Savižudybė? Pagrobimas? Atsiskyrėlio bandymas išvengti viešumo?

Jo vardu pavadintos dalelės ne mažiau paslaptingos. Jos kilusios iš, regis, nekaltų modifikacijų, kurias Majorana atliko su britų fizikos teoretiko Polio Dirako lygtimis 1928 metais. Dirako lygtis apjungia kvantinę mechaniką ir Einšteino reliatyvumų, kad aprašytų elektronų elgseną – ir tuo pačiu visas kitas „fermionines“ daleles, materijos statybinius blokus.

Dirako lygtys buvo apreiškimas. Pirmiausia jos parodė, kad elektronai magnetiniame lauke elgiasi dvejopai, priklausomai nuo kvantinės mechanikos savybės, vadinamojo sukinio. Bet šios sukinio padėtys buvo tik dvi iš keturių galimų elektronui, kurias lygtys leido. Kitos dvi atrodė visai taip pat, tik turėjo kažkokią „neigiamą“ energiją.

Iš karto nebuvo aišku, ką tai galėtų reikšti. Reikalai pajudėjo 1932, kai amerikiečių fizikas Karlas Andersonas atrado visiškai neteisingą elektrono kelio išlinkimą jo kosminių spindulių detektoriaus magnetiniame lauke. Jis atrado pozitronus: daleles, tokias pat, kaip elektronai, tik su priešingu, teigiamu elektriniu krūviu. Tai buvo antimedžiagos debiutas.

Nuo tada dėl savybės sunaikinti save ir sunaikinti materiją vos joms susilietus, antimedžiaga apjungė mokslą ir mokslinę fantastiką. Joje glūdi didelės paslaptys: Didžiojo sprogimo metu turėjo susidaryti po lygiai medžiagos ir antimedžiagos, tad viskas turėjo išsyk anihiliuoti. Kodėl dalis materijos išliko ir sukūrė žvaigždes, planetas ir žmones, lieka vienu iš didžiųjų kosmologijos egzistencinių klausimų.

Dirako originaliojoje formuluotėje tik elektrinį krūvį turinčios dalelės turėjo antidaleles. Majorana'o pataisos sukūrė antidaleles ir bekrūvėms dalelėms. Neatskiriamos iš elektrinio krūvio, tokios dalelės ir antidalelės būtų visiškai identiškos. Tiesą sakant, jos būtų viena dalelė, tuo pat metu turinti abiejų savybes.

Idėja skamba kiek absurdiškai – bet ji gali būti patikrinta. „Jei dalelė yra savo pačios antidalelė, tai suglaudus dvi, jos anihiliuotų,“ sako teoretikas Frankas Wilczekas iš Masačiusetso technologijos instituto. Majorana'o dalelės „suvalgytų“ save.

Tai nėra kažkas neregėto. Dabartinis Standartinis modelis numato, kad absoliučiai visos dalelės turi savo antidaleles: pavyzdžiui, bekrūvis, bemasis fotonas yra savęs paties antidalelė ir tais retais atvejais, kai du fotonai sąveikauja, jie anihiliuoja. Bet fotonas yra sąveiką pernešantis „bozonas“; išvysti save suvalgančius materiją sudarančius fermionus būtų visai kitas reikalas.

Kol kas mums to išvysti neteko. Šilčiausias spėjimas, kad neutrinai galėtų būti užsimaskavusios Majorana'o dalelės. Milijardai šių nedraugingų bekrūvių dalelių skrodžia Žemę kiekvieną sekundę, nesąveikaudamos su niekuo. Žinomi trys jų tipai ir atrodo, kiekvienas jų turi po antineutrino ekvivalentą, labai skirtingai dalyvaujantį dalelių reakcijose. Bet daugelis tikėtinų kelių į visas gamtos jėgas vienijančią teoriją teigia, kad tai iliuzija. „Neutrinai ir antineutrinai gali būti tas pats dalykas, tik regimas skirtingose judėjimo stadijose,“ sako Wilczekas.

Bėda ta, kad dėl pačių neutrinų slidaus būdo tai tvirtinti užtikrintai beveik neįmanoma (žr. žemiau „Niekas neveikia“). Tačiau dabar pasirodę rezultatai iš netikėtos srities bent jau suteikė šiokį užtikrintumą.

Paimkite pusę elektrono…

Superlaidininkas gali atrodyti netinkamas pagrindas antimedžiagos paieškoms. Pozitronui būtų tikrai nelengva išgyventi tarp bet kuriame laidininke dūzgiančių elektronų spiečių. Bet nuo pat kvantinės fizikos pirmųjų žingsnių buvo aišku, kad tam tikrose medžiagose yra nuosavos antielektronų versijos: skylės.

„Skylė yra elektrono nebuvimas ten, kur elektronas paprastai būna,“ sako Marcelas Franzas, fizikas iš Britų Kolumbijos universiteto Vankuveryje, Kanadoje. Šios skylės laisvai juda tam tikruose laidininkuose ir perneša teigiamą ir tokio pat dydžio krūvį, kaip ir elektronas. Silicio tranzistorių veikimo neįmanoma suprasti be skylių sampratos. Susitikus elektronui ir skylei, jie „anihiliuoja“: elektronas peršoka į skylę ir nei elektronas, nei skylė nebesukuria laidumo.

Vaiduokliškųjų skylių egzistavimas siūlo Majorana'o dalelės sukūrimo būdą. Pradėsime nuo pusės elektrono ir pusės skylės, sujungsime dvi dalis ir turėsime fermioną, kuris neturės krūvio ir energijos. „Ši kieto kūno Majorana būtų „nieko“ dalelė, sako Leo Kouwenhovenas iš Delfto Technologijos universiteto Nyderlanduose. „Tai vienas didelis nulis.“

Bet pala: elektronas yra elementarioji dalelė, kurios negalima lyg niekur nieko perskelti. Tai tiesa, bet tik tada, kai neatsižvelgiama į keistus dalykus, vykstančius superlaidininkuose. Labai žemose temperatūrose elektronai ir skylės praranda individualumą ir pradeda elgtis kaip didesnė kvantinė dalelė, tekanti per medžiagą be varžos. „Tai šiek tiek primena meksikietišką bangą stadione,“ pateikia pavyzdį Kouwenhovenas. „Galite aprašyti ją kaip daugybę atskirų, pašokančių ir atsisėdančių žmonių. Arba galite aprašyti tai kaip vieną bangą.“

Kritinis Majorana'os dalelės sukūrimo veiksmas buvo atliktas 2010 metais. Tam reikėjo sukurti superlaidumą medžiagoje, kurioje elektronams palikta labai mažai manevravimo laisvės, tokioje, kaip vienmatmenėje vieloje (Physical Review Letters, vol 105, p 077001 ir p 177002). Tada ji, lyg meksikietiška banga, nutraukiama galuose ir šiuose nutrauktuose galuose galima rasti kažką, kas yra šiek tiek elektronas, šiek tiek skylė ir visa Majorana'o dalelė. „Teoretiškai nėra abejonių, kad Majorana'o dalelės tokiomis sąlygomis turėtų pasirodyti,“ sako Franzas.

Kouwenhovenas ir jo komanda gali būti, ją sučiupo. Kai jie leido superlaidumui „nutekėti“ iš vieno superlaidininko į šalia esantį kitą, suvaržytą superlaidžią nanovielą, jos gale atsirasdavo nulinės energijos ir nulinio krūvio dalelės. Elektrinis ar magnetinis laukas jų neveikdavo, o būtent tokio elgesio tikimasi iš „nieko“ materijos-antimaterijos hibridinės dalelės (Science, DOI: 10.1126/science.1222360). Šių metų vasarį, Davidas Goldhaber-Gordonas su komanda iš Stenfordo Universiteto Kalifornijoje, taip pat pateikė Majorana'o dalelių įrodymus šiek tiek kitokiame tyrime (arxiv.org/abs/1202.2323).

Reikės atlikti tolesnius tyrimus, kad būtų patvirtinti radiniai, bet viliamasi daug. „Majorana'o dalelių stebėjimas kieto būvio įrenginiuose įrodys, kad šios dalelės gali egzistuoti gamtoje“ paaiškina Franzas, kuris nėra susijęs su eksperimentuojančiomis komandomis. „Spėju, [įrodymus] turėsime per metus ar porą.“

Šios dirbtinės Majorana'os dalelės matomos, kaip supergalingų kvantinių kompiuterių sudedamosios dalys (žr. „Keista logika). Bet kamuoja jausmas, kad tai dar ne visiškai tai, ko ieškome: didingas liūtas uždarytas zoologijos sode, užuot laisvai laigantis po savaną.

Be persekiojančių neutrinus su viltimi išvysti Majorana'o dalelės elgesį, LHC dalelių medžiotojai, panašu, turi daugiausia galimybių sučiupti žvėrį. LHC ieško Higgso bozono, užbaigsiančio Standartinį modelį, ir didesnės teorijos užuominų. Pirmaujantis kandidatas yra supersimetrijos teorija, teigianti, kad kiekviena Standartinio modelio dalelė turi sunkesnį neatrastą „superpartnerį“. Kiekvienas fermionas turi superbozoną, o kiekvienas bozonas – superfermioną.

Materijos faktai

Paimkime Higgso bozoną. Tai bekrūvė dalelė, manoma, suteikianti visoms kitoms masę. Bet paimkime du „Higgsinus“, jo superfermionų partnerius, suglauskime ir turėtume išvysti masės išnykimo šou: jie anihiliuotų į šūsnį kitų dalelių. Kitos supersimetrijos dalelės irgi turėtų elgtis, kaip Majorana'o. Tokios dalelės yra tinkamiausi kandidatai būti „silpnai sąveikaujančiomis masyviomis dalelėmis“ (angl. weakly interacting massive particles), arba WIMPais, kurios gali sudaryti tamsiąją materiją, paslaptinguosius nematomus tris ketvirčius visatos masės. „Jei taip, Majorana'o dalelės būtų labiausiai paplitusios visatoje,“ svarsto Kouwenhovenas. Nuolatinė šių tamsiųjų Majorana'o dalelių anihiliacija galėtų paaiškinti detektoriais užfiksuojamą didelės energijos kosminių pozitronų perteklių.

Kol kas LHC nepastebėta nieko supersimetriško, nekalbant apie ką nors panašaus į Majorana'o daleles. Bet Wilczekas mano, kad tai gali pasikeisti per keletą ateinančių metų, kai greitintuvas pasieks maksimalią galią. „Mes dar neatvykome, bet esame šalia,“ sako jis.

Tuo tarpu nustačius ar neutrinai yra Majorana'o dalelės, galėtų paaiškėti, kodėl kažkas yra, o ne nieko nėra. Jei neutrinai ir antineutrinai yra atskiros dalelės, Didžiajame sprogime jų būtų susidarę po lygiai. Energijos kupinomis ankstyvosios visatos sąlygomis jie būtų suskilę į vienodą skaičių kitų dalelių ir antidalelių. Bet jei neutrinai ir antineutrinai yra ta pati dalelė, ji galėjo skilti į daleles ir antidaleles kaip tinkama. Nėra garantijos, kad jų skilimas vyktų vienodai: skilimas į daleles galėjo šiek tiek lenkti skilimą į antidaleles. „Tereikia mažyčio skirtumo, bet jo užteko, kad visata būtų tokia, kokią matome,“ sako Silvia Pascoli, dalelių fizikė iš Durhamo universiteto, JK.

Šio scenarijaus tiesioginiam įrodymui reikėtų dalelių greitintuvo, galinčio atkurti neįtikėtinai karštas ir tankias pirmąsias kosmoso sekundžių dalis – aparato, 10 milijonų kartų galingesnio už LHC. Turint tai galvoje, gal turėtume būti dėkingi nors už šiokį tokį žvilgtelėjimą, suteikiamą superšaltų vielučių žemiškesnėje laboratorijoje. Majorana'o paslaptis tęsiasi, bet esame žingsniu arčiau jos įminimo.