حل معمای 80 ساله فیزیک توسط دانشمندان

به تازگی فیزیکدانان دانشگاه استنفورد و دانشگاه کالیفرنیا نخستین مدرک محکمه پسند مبنی بر وجود ذره‌ای را یافته‌اند که پادذره خودش است و از آن به عنوان "ذره فرشته" یاد می‌کنند.

کد خبر: ۱۶۵۸۴۱

تاریخ: ۰۱ مرداد ۱۳۹۶ - ۱۴:۲۰

به گزارش ایران اکونومیست  به نقل از گیزمگ، هر ذره بنیادی در جهان یک پادذره دارد که این دو دارای جرم برابر اما بار مخالف هستند. چنانچه ذره‌ای با پادذره خود برخورد کند، هر دوی آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند و انرژی آزاد می‌کنند. با این حال، مدت‌هاست نظریه‌ای وجود دارد مبنی بر اینکه استثنایی در این قانون وجود دارد و آن این که ذرات خاصی وجود دارند که پادذره خودشان هستند.

این نظریه به سال 1937 برمی‌گردد یعنی زمانی که "اتوره مایورانا" (Ettore Majorana)، فیزیکدان ایتالیایی، از وجود گسستی بین خانواده فرمیون ذرات یاد کرد. پروتون‌ها، الکترون‌ها، نوترون‌ها، نوترینوها و کوارک‌ها همگی جزو فرمیون‌ها به شمار می‌آیند و دارای پادذره‌های متناظر هستند اما بر اساس محاسبات مایورانا، باید ذراتی وجود داشته باشند که پادذره خودشان هستند.

چون نوترون‌ها و نوترینوها فاقد بار هستند، بهترین کاندیداها برای این نوع از فرمیون‌های مطرح شده توسط مایورانا بودند اما بعدها آنتی‌نوترون‌ها کشف شدند. همزمان، محتمل ترین راه برای یافتن فرمیون‌های مایورانا، بررسی "شبه ذرات" (quasiparticles) است. همان‌طور که از نام آنها بر می‌آید، این‌ها ذرات کاملا طبیعی نیستند اما از رفتار جمعی الکترون‌ها نشات می‌گیرند و دارای ویژگی‌های خاصی هستند.

به تازگی دانشمندان در آمریکا مدعی‌ شده‌اند علائمی یافته‌اند که به وجود این فرمیون‌های فرضی اشاره دارند و این دستاورد پاسخی به یکی از مسائل بنیادی فیزیک است که 80 سال ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است.

برای اینکه این شبه ذرات خود را نمایان کنند، تیم علمی مخلوط بسیار خاصی تولید کرد که از فیلم‌های نازک دو ماده کوانتومی تشکیل شده بود و این دو ماده روی یکدیگر سوار شده‌ بودند. نتیجه نهایی، شکل گیری یک عایق توپولوژیک ابررسانا بود که به الکترون‌ها امکان حرکت سریع در طول لبه‌های سطح خود را می‌داد. دانشمندان با افزودن ماده مغناطیسی به این ترکیب، الکترون‌ها را وادار کردند در طول یک لبه عایق و در یک مسیر حرکت کنند و در طول لبه دیگر در جهت مخالف حرکت کنند. آنها سپس آهنربایی را به صورت موج مانند بر فراز این عایق توپولوژیک به حرکت در آوردند و این آهنربا موجب کند شدن، متوقف شدن و در نهایت تغییر دادن مسیر الکترون‌ها شد.

این فرآیند معکوس‌ شدن در حرکتی نامنظم و تلوتلوخوران که تیم علمی آن را به پله‌های یک راه‌پله تشبیه کرده، رخ داد. در این تحقیق، شبه‌ذرات مایورانا به صورت جفت شروع به ظاهر شدن از میان این عایق کردند و در طول همان مسیری حرکت کردند که الکترون‌ها حرکت می‌کردند اما یک تفاوت کلیدی وجود داشت و آن اینکه زمانیکه شبه ذرات توسط آهنربا متوقف شدند و برگشتند، در گامهایی به اندازه نصف ارتفاع گام‌های الکترون‌ها این عمل را انجام دادند.

این موضوع به این دلیل است که هر یک از این شبه ذرات اساسا فقط نیمی از یک ذره است چون از هر یک جفت شبه‌ذره، یکی از آنها از مسیر منحرف می‌شود و این امر به محققان امکان اندازه‌گیری آسان شبه ذرات منفردی که همچنان به سمت جلو حرکت می‌کردند را داد. در واقع گام‌های شبه ذرات مایورانا با ارتفاع نصف گامهای الکترونها، دقیقا همان مدرکی بود که دانشمندان به دنبال آن می‌گشتند.

فیزیکدانان پیشنهاد داده‌اند که این ذره به تقلید از رمان "فرشتگان و شیاطین" نوشته "دان براون"، "ذره فرشته" لقب گیرد زیرا در این اثر، یک بمب توسط برخورد ماده و ضدماده نیرودهی می‌شود. ذرات مایورانا در درازمدت کاربردهای علمی در ایمن‌تر کردن رایانه‌های کوانتومی خواهند داشت.

جزئیات این دستاورد علمی در مجله Science منتشر شد.