Темная материя выходит на белый свет

Группа американских физиков провела эксперименты, которые доказали существование фермионов Майораны — частиц, из которых состоит темная материя. Впервые следы их были зафиксированы голландскими учеными еще в прошлом году, однако тогда возникли сомнения по поводу корректности интерпретации результатов их опытов. Теперь этих сомнений уже нет.

Прежде всего следует заметить, что таинственные фермионы Майораны, названные так по фамилии итальянского физика Этторе Майораны, который предсказал возможность их существования еще в 1937 году, не являются конкретными элементарными частицами наподобие известных нам электрона или мюона. Они представляют собой целый класс еще неизвестных частиц, отличающихся от привычных нам фермионов Дирака (а это все фермионы, то есть частицы с дробным значением спина, описываемые Стандартной моделью — например, тот же электрон, значение спина которого 1/2) тем, что они могут одновременно являтся своими собственными античастицами.

Читайте также: Ученым удалось потрогать частицу бога

Но как же им это удается? Согласно данным моделей и расчетов (ибо экспериментально это пока никто не смог установить), фермионы Майораны могут переворачивать свой спин. Cпин — это момент импульса частицы, и, следовательно, он имеет направление. Так вот, изменяя время от времени это направление на противоположное, данные фермионы легко переходят в состояние античастицы и наоборот.

Что еще предполагают ученые по поводу возможных характеристик фермионов Майораны? По их мнению, эти частицы должны обладать весьма малой массой — но все-таки отличной от нуля. Именно поэтому долгое время кандидатами на роль майорановских частиц считались электронные нейтрино (хотя эту гипотезу разделяют далеко не все физики). Еще о них известно то, что они очень слабо взаимодействуют с дираковскими фермионами, поэтому их присутствие достаточно сложно обнаружить. Именно поэтому многие исследователи уверены в том, что из фермионов Майораны может состоять темная материя.

Кстати, именно из-за этого в последние годы ученые активно ищут следы фермионов Майораны, ведь всем хочется понять, что представляет собой самая загадочная субстанция во Вселенной. Кроме того, многие физики уверены, что изучение этих частиц поможет решить проблему барионной асимметрии нашего мира, то есть ответить на вопрос: "Почему вещества во Вселенной больше, чем антивещества?". А инженеры уверены, что при помощи фермионов Майораны можно будет сконструировать мощный квантовый компьютер. Словом, эти фермионы нужны всем, однако пока никому не удалось их поймать.

Правда, в прошлом году в этом направлении были достигнуты первые серьезные успехи. Группа исследователей из Делфтского технологического университета, которой руководил Лео Коувенховен, смогла уловить следы загадочного фермиона. Ученые сконструировали наноразмерный транзистор, в проводах которого в процессе эксперимента при нулевом напряжении появился электрический ток. Сотворить подобное по силам лишь фермионам Майораны: ведь если какой-то из них, к примеру, может становиться то электроном, то позитроном, то при разнесении их на противоположные концы провода в нем возникает своеобразная "безэлектронная дыра". Именно она и породила в опыте группы Коувенховена электрический ток.

Читайте также:‪Темную материю тел"ловят" по частям

Эти опыты вызвали искренний восторг всего мирового научного сообщества, и в конце прошлого года работа голландских исследователей была объявлена одним из самых главных достижений физики в 2012 году. Однако следует заметить, что сами авторы экспериментов были не столь оптимистично настроены, как их коллеги. В частности, они сразу же объявили о том, что ими, скорее всего, было зафиксировано присутствие не самих фермионов Майораны, а существование квазичастицы, ведущей себя сходным образом. Например, согласованно движущийся поток электронов может проявлять те же свойства, что и майорановские частицы.

Кроме того, один эксперимент, каким бы удачным он ни был, еще ничего не доказывает. В науке принят подход, согласно которому то, что получилось у одних ученых, должно получится и у других. Только тогда результаты исследования можно считать достоверными. Проще говоря, потребовались еще опыты, в которых можно было бы обнаружить следы присутствия фермионов Майораны.

И вот недавно физик Дейл Ван Харлинген и его коллеги из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне (США) провели серию экспериментов, весьма похожих на опыты группы профессора Коухвеновена. Они создали сходную наноразмерную установку, и только проводок, по которому шел волшебным образом появившийся ток, сделали еще короче. Да и напряжение в эксперименте было не все время равным нулю — его то слегка повышали, то снижали. Исследователи предположили, что если фермионы Майораны существуют, то они должны породить квантовые волны, связанные с каждым из фермионов. Более того, взаимное наложение этих волн (то есть их интерференция) вполне может быть зафиксирована вольтметрами в виде двух дополнительных пиков напряжения, которые не возникали бы в результате деятельности самой установки.

В итоге все так и получилось. По ходу опытов вольтметры несколько раз зафиксировали эти два дополнительных пика. Причем они возникали именно там и тогда, как и предполагали ученые. По мнению физиков из группы Ван Харлингена это доказывает, что обнаружены именно следы деятельности фермионов

Майораны, а не похожих на них квазичастиц. Таким образом опыты к тому же еще и потвердили достоверность результатов прошлогодних экспериментов группы Коувенховена.

Читайте также:‪ Физика-2012: бозон Хиггса и другие частицы

И снова физики отреагировали на это событие весьма восторжено. "Это усиливает нашу веру в то, что перед нами действительно физика, связанная с частицами Майораны. Я пока не готов заявить, что поставлю всю свою зарплату на это, но я все ближе к такой позиции", — комментирует выводы коллег американский исследователь Шанкар Дас Шарма, предсказавший такой двойной пик в декабре 2012 года и выполнивший все теоретические расчеты для данного эксперимента.

Впрочем, даже если бы уважаемый профессор Шарма, действительно, заключил пари на всю свою зарплату, то, скорее всего, он не остался бы без денег, потому что данный опыт доказывает, фермионы Майораны все-таки существуют. А это значит, темная материя уже перестала быть для человечества такой далекой и загадочной…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"