1928 yılında fizikçi Paul Dirac, evrendeki her parçacığın bir anti parçacığı olduğuna dair heyecan verici bir öngörüde bulunmuştu. Bir anti parçacık, bir parçacığın karşıt yüklü ikizidir. Bir parçacıkla bir anti parçacık birleştiğinde birbirlerini yok ederler ve bir enerji bulutu oluştururlar. Bundan birkaç yıl sonrasında ilk anti parçacık; elektronun karşıtı pozitron keşfedildi ve antimadde bir anda popüler kültürün parçası oldu.

1937 yılında ise, bir başka zeki fizikçi Ettore Majorana yeni bir öngörüde bulundu: Proton, nötron, elektron, nötrino ve kuarkların dahil olduğu fermiyon adı verilen parçacık sınıfında, kendi kendisinin anti parçacığı olan parçacıklar bulunması gerektiğini öne sürdü.

Stanford araştırmacılarının yapmış olduğu yeni çalışmada, böylesi Majorana fermiyonlarına dair ilk kanıtlar elde edildi. Bu kanıtlar, California Üniversitesi’nde, Stanford Üniversitesi işbirliğiyle egzotik malzemeler üzerinde yürütülen bir dizi laboratuvar deneyi sonucu elde edildi. Araştırma ekibi, bulgularını 20 Temmuz 2017 tarihli Science dergisi sayısında yayımladı.

Araştırmacılar, Majorana fermiyonunu tam olarak nerede bulacaklarını ve deneysel açık kanıtı bulmak için nereye bakmaları gerektiğini tahmin etti. Bu kanıt, 80 yıldır gündemde olan ve temel fiziğin en yoğun çalışmalarından birini sonuca bağlıyor. Bu fermiyonun araştırılması pratik olmaktan çok, düşünsel olsa da; düzgün çalışan kuantum bilgisayarları inşa etmek gibi pratik uygulamaları olabilir.

Araştırma ekibinin gözlemlediği Majorana fermiyonunun özel türü, “kiral” fermiyon olarak biliniyor, çünkü bu fermiyon tek bir doğrultu boyunca, bir boyutlu bir yol üzerinde hareket ediyor. Bu parçacığı üreten deneylerin kavraması, kurulumu, yürütülmesi fazlasıyla zor olsa da, ürettikleri sinyal açık ve kesindi.

“Sankiparçacıkları” Aramak

Majorana’nın öngörüsü nötron ve nötrino gibi, sadece yüksüz olan fermiyonlara uygulanıyor. Araştırmacılar nötronun anti parçacığını daha önce buldular, fakat nötrinonun kendi kendisinin anti parçacığı olabileceğine inanmaları için geçerli sebepleri de var. Bu durumu incelemek adına dört farklı deney yürütülüyor; bunlardan birisi EXO-200, Enriched Xenon Observatory’nin (Zenginleştirilmiş Ksenon Gözlemevi) en güncel hali. Fakat bu deneyler aşırı derecede zor ve 10 yıllık bir süreçte herhangi bir cevap bulmaları beklenmiyor.

Yaklaşık 10 yıl önce, bilim insanları Majorana fermiyonlarının, malzemelerin fiziğini araştıran deneylerle de üretilebileceğini fark etti ve bunu gerçekleştirmek üzere bir yarış başladı. Aradıkları şey “sankiparçacıklar”dı; elektronların, elektriği % 100 verimle iletebilen süper iletkenlerde yarattığı kolektif davranışlardan kaynaklanan parçacık benzeri uyarımlar. Sankiparçacıkları meydana getiren süreç, enerjinin kısa ömürlü “sanal” parçacıklara dönüşmesi ve enerjinin tekrar boş uzaya geri dönmesi sürecine benzer. Sankiparçacıklar, doğada bulunan parçacıklar gibi olmadığı için, yine de gerçek Majorana fermiyonları gibi değerlendirilebilir.

Geçmiş 5 yıl boyunca, bilim insanları bu yaklaşım sayesinde bir nebze başarı elde etti ve süper iletken teller içeren deneylerde umut vaat eden Majorana fermiyonu işaretleri gördüklerini rapor etti. Fakat bu durumlarda, sankiparçacıklar “bağlı” haldeydi, uzay-zamanda yayılmak yerine, belirli bir yere iğnelenmiş vaziyetteydiler. Ve diğer etkilerin, araştırmacıların elde ettikleri sinyallere katkıda bulunup bulunmadığını söylemek zordu.

Açık Bir Kanıt

UCLA, UC-Davis ve UC-Irvine’deki son deneylerde, ekip, bir süper iletken ve bir manyetik topolojik yalıtkandan oluşan iki farklı kuantum malzemesinden ince filmleri üst üste dizdi ve soğuk bir vakum odasında bunlar üzerine elektrik akımı gönderdi. En üstte bulunan film bir süper iletkendi. En alttaki ise elektriği sadece yüzeyinden veya kenarlarından ileten topolojik yalıtkandı. Bu malzemeler bir araya gelerek süper iletken topolojik yalıtkanı oluşturuyor, elektronlar malzemenin yüzeyinin iki kenarı boyunca dirençler karşılaşmadan hareket edebiliyorlar. Topolojik yalıtkana küçük bir miktar manyetik malzeme eklendi. Bu da elektronların yüzeyin bir kenarı boyunca tek bir yönde, diğer kenarda ise zıt yönde hareket etmesine neden oldu.

Ardından araştırmacılar bu yığın üzerinden bir mıknatıs geçirdiler. Bu da elektronların akışını yavaşlattı, durdurdu ve hareketin yönünün değişmesine neden oldu. Bu değişimler düzgün değildi, fakat keskin adımlarla gerçekleşti, tıpkı bir merdivendeki basamaklar gibi.

Bu döngünün belirli noktalarında, Majorana sankiparçacıkları meydana çıktı, süper iletken tabakadan çiftler halinde ortaya çıktılar ve topolojik yalıtkanın kenarları boyunca, tıpkı elektronlar gibi hareket ettiler. Her bir çiftin 1 üyesi yolundan saparak, araştırmacıların, bireysel sankiparçacıkların akışını kolaylıkla ölçebilmelerine olanak sağladı. Elektronlar gibi, Majorana sankiparçacıkları da yavaşladı, durdu ve yön değiştirdi, fakat elektronların attığı adımların yarısı kadar yükseklikte.

Bu yarım adımlar, araştırmacıların aradığı açık delillerdi.

Bu deneylerin sonuçlarının, nötrinonun kendi kendisinin anti parçacığı olup olmadığını belirleme çabaları üzerinde herhangi bir etkisinin olması muhtemel değil.

EXO-200 deneyinin tasarlanmasında ve planlanmasında büyük rol oynayan Stanford fizikçisi Prof. Giorgio Gratta; “Gözlenen sankiparçacıklar, aslında malzeme içerisinde Majorana parçacıkları gibi davranan uyarımlar. Bunlar temel parçacıklar değil ve oldukça özel bir malzeme içerisinde, fazlasıyla yapay bir yöntemle üretildiler. Bunların evrende meydana gelmesi pek olası değil, fakat biz kimiz ki bunları söyleyelim. Diğer yandan nötrinolar her yerde ve eğer Majorana parçacıkları oldukları bulunursa, doğanın sadece bu tür parçacıkları olası kılmadığını, aynı zamanda evreni onlarla doldurduğunu da gösterebiliriz.” diye yorumda bulunuyor.

Melek Parçacığı

Uzak gelecekte, Majorana fermiyonları, geliştirilmelerinde büyük bir engel olan çevresel gürültüden etkilenmeyen, düzgün kuantum bilgisayarlarının inşa edilmesinde kullanılabilir. Her Majorana parçacığı esasında yarım bir atom altı parçacık olduğu için, tek bir kübitlik bilgi iki ayrı Majorana parçacığında saklanabilir, bu da her ikisinin birden aynı anda rahatsız edilmesi ve taşıdıkları bilginin kaybedilmesi şansını azaltır.

Şimdilik, ekibin keşfettiği kiral Majorana parçacığı için öne sürülen isim, 2000 yılının en çok satan kitaplarından “Melekler ve Şeytanlar”a bir referans olarak,  “melek parçacığı”. Kitabın aksine, Majorana fermiyonunun kuantum dünyasında sadece melekler var, şeytanlar yok.

 

---

Kaynak: Experiment finds evidence for the Majorana fermion, a particle that's its own antiparticle < https://phys.org/news/2017-07-evidence-majorana-fermion-particle-antiparticle.html >

Referans: Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure < http://science.sciencemag.org/content/357/6348/294 >

DOI: 10.1126/science.aag2792

---