ذره جديد هم ماده و هم پاد ماده است

پژوهشگران علائمي از "ذرات مايورانا" را درون آهن ابررسانا مشاهده كردند.

از دهه 1930 دانشمندان به دنبال ذراتي بوده اند كه همزمان ماده و پادماده باشند. اكنون فيزيكدان ها شواهد محكمي مبني بر وجود چنين چيزي درون يك ماده ابر رسانا يافته اند. اين كشف مي تواند نشان دهنده اولين ذرات معروف به مايورانا باشد و به محققان در كدبندي اطلاعات رايانه هاي كوانتومي كمك كند.

فيزيكدان ها معتقدند كه هر ذره از ماده، همراه پادماده اي با جرم يكسان اما بار مخالف است. وقتي ماده و پادماده‌ي متناظرش به هم برسند، يكديگر را نابود مي كنند. اما بر طبق پيش بيني فيزيكدان ايتاليايي اتوره مايورانا (Ettore Majorana) در 1937، برخي ذرات ممكن است پادماده‌ي خودشان باشند. براي نخستين بار پژوهشگران مي گويند از يكي از اين ذرات مايورانا تصويربرداري كرده و يافته هايشان را در مجله Science 3 اكتبر گزارش كرده اند.

اين ذره مايوراناي جديد درون يك ابررسانا ظاهر شده است،‌ ماده اي كه حركت آزادانه‌ي الكترون ها در آن باعث مي شود تا الكتريسيته بدون هيچگونه مقاومتي شارش يابد. تيم تحقيقاتي دانشگاه پرينستون در نيوجرسي به سرپرستي علي يزداني، ‌زنجيره اي بلند از اتم هاي آهن را كه مغناطيسي شده اند،‌ روي ابررسانايي از جنس سرب قرار دادند. به طور معمول، مغناطيس ابررساناها را در هم مي شكند، كه به ممانعت ميدان هاي مغناطيس از شارش آزادانه الكترون ها مربوط است. اما در اين حالت زنجيره مغناطيسي به نوع خاصي از ابررسانا تبديل مي شود كه در آن الكترون هاي مجاور هم در زنجيره، اسپين هاي خود را طوري جهت دهي مي كنند كه شرايط لازم براي مغناطش و ابررسانايي را همزمان برآورده سازند. هركدام از اين جفت ها را مي توان به صورت يك الكترون و يك پادالكترون به ترتيب با بارهاي منفي و مثبت تصور كرد. اما، چيدمان مذكور يك الكترون را در هر سر زنجيره بدون همسايه اي كه با آن جفت شود باقي مي گذارد كه باعث مي شود آن ها ويژگي‌‌ي هم الكترون و هم پادالكترون را داشته باشند- به عبارت ديگر ذرات مايورانا باشند.

بر خلاف ذراتي كه در خلاء يافت مي شوند و به ماده‌ي ديگري متصل نيستند، ‌اين مايوراناها از نوع ذراتي اند كه برآمده (emergent) ناميده مي شوند. آن ها از مجموع خواص ماده‌ي محيطشان ناشي مي شوند و نمي توانند در خارج از ابررسانا وجود داشته باشند.

لئو كوونهاون (Leo Kouwenhoven)از دانشگاه صنعتي دلفت در هلند كه در اين تحقيق نبوده اما قبلاً نشانه هايي از ذرات مايورانا را در چيدمان ابررساناي ديگري يافته است، مي گويد اين مطالعه علائم قانع كننده اي از ذرات مايورانا را نشان مي دهد. «اما اگر واقعاً بخواهيم از اثبات كامل و مدرك بدون شبهه حرف بزنيم، فكر مي كنم بايد يك آزمايش DNA انجام دهيد». او مي گويد، چنين آزمايشي بايد نشان دهد كه اين ذرات از قوانين معمول دو دسته‌ي شناخته شده از ذرات طبيعت- يعني فرميون ها (پروتون ها، نوترون ها و اغلب ذرات ديگري كه مي شناسيم) و بوزون ها (فوتون ها و ساير ذرات حامل نيرو شامل بوزون هيگز) پيروي نمي كنند. كوونهاون مي افزايد، «نكته مهم در مورد مايوراناها اين است كه آن ها بالقوه دسته‌ي جديدي از ذرات هستند. اگر بتوانيد دسته‌ي جديدي از ذرات را بيابيد، حقيقتاً فصل جديد به فيزيك اضافه خواهد شد».

فيزيكدان جيسون آليشيا (Jason Alicea) از موسسه تكنولوژي كاليفرنيا در پاسادنا،‌ كه او هم در تحقيقات نبوده، ‌مي گويد اين مطالعه "مدرك جالب توجهي" براي ذرات مايوراناست اما «حتي اگر فوراً كانديدهاي مشخص ديگري وجود نداشته باشد،‌ باز هم بايد ساير توضيحات ممكن را مد نظر داشته باشيم». او چيدمان آزمايش را به خاطر توانايي‌ي آشكارش در توليد آسان مايوراناهاي گريزپا تحسين مي كند. «از مزاياي اصلي روش آن ها نسبت به كارهاي پيشين اين است كه به پژوهشگران اجازه مي دهد نوع جديدي از ميكروسكوپ را براي كاوش دقيق ساختار فيزيك به كار بگيرند».

كشف حاضر مي تواند در جستجوي ذرات مايوراناي آزاد خارج از مواد ابررسانا اثرگذار باشد. بسياري از فيزيكدان ها گمان مي كنند كه نوترينوها – ذراتي بسيار سبك با قابليت عجيب براي تغيير هويت يا طعمشان- ذرات مايورانا هستند و آزمايشات براي بررسي صحت اين مطلب ادامه دارد. يزداني مي گويد، «حالا كه مي دانيم ذرات مايورانا داخل ابررسانا وجود دارند، شايد پيدا كردن آن ها در طبيعت خيلي جاي تعجب نداشته باشد. وقتي متوجه شديد مفهومي درست است، بسيار محتمل است كه خودش را در لايه هاي ديگري از فيزيك نشان دهد. چنين چيزي هيجان انگيز است».

اين يافته همچنين مي تواند در ساخت رايانه هاي كوانتومي، كه با بهره گيري از قوانين مكانيك كوانتوم محاسبات را چندين بار سريع تر از رايانه هاي معمولي انجام مي دهند، مفيد واقع شود. يكي از مسائل اصلي در ساخت رايانه هاي كوانتومي اين است كه ويژگي هاي كوانتومي مانند درهم تنيدگي (رابطه اي بين دو ذره به طوري كه عمل روي يكي بر ديگري اثر مي گذارد) در اثر مداخله خارجي مستعد فروپاشي است. زنجيره‌ي ذرات با مايوراناهايي كه دو سرش را پوشانده اند تا حدي از اين خطر در امان خواهد بود،‌ زيرا آسيب بايد همزمان به هر دو سر وارد شود تا بتواند اطلاعات كد شده در آنجا را از بين ببرد. به گفته‌ي يزداني «شما مي توانيد بر اساس اين مايوراناها يك بيت كوانتومي بسازيد. تصور مي شود چنين بيتي در برابر محيط بسيار مقاوم تر از انواع بيت هايي باشد كه مردم تاكنون سعي كرده اند بسازند».

نويسنده خبر: مريم ذوقي

منبع

http://www.nature.com/news/new-particle-is-both-matter-and-antimatter-1.16074