「天使の粒子」マヨラナ粒子の証拠を観測

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本記事は、What Is Angel Particle and How It’s Particle and Antiparticle At The Same ?を
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約3分14秒

ほとんどの科学者や研究者は、ビッグ・バンが約137億年前に起こったために私たちの宇宙が形成されたと信じています。爆発は同量の物質と反物質を生み出しました。

私たちの周りのすべては物質でできています。粒子は物質の質であり、特定のサイズ制限はありません。物理学者は粒子を電子と定義することができ、天文学者はそれを宇宙の星と定義することができます。それはすべて、研究中の分野と理論に依存します。

1928年、イギリスの理論物理学者は、すべての素粒子が反粒子を持っているという奇妙な予測をしました。知らない人にとっては、反粒子は粒子とまったく同じですが、反対の電荷を含んでいます。反粒子と粒子が出会うと、それらは消滅し、膨大な量のエネルギーを放出します。

1932年、アメリカの物理学者であるカー・デイビッド・アンダーソンが最初の反物質粒子である陽電子（電子の反対側）を発見し、それ以来、反物質は科学の不可分の一部になりました。

4年後の1937年、イタリアの天才物理学者、エットーレ・マヨラナが、電子、中性子、陽子、クォーク、ニュートリノを含むフェルミ粒子（またはマヨラナフェルミオン）と呼ばれる粒子の種類については、独自の反粒子を持つ粒子が存在するはずだというまったく新しい予測を行いました。

彼は、中性スピン1/2粒子はマヨラナ方程式で記述できることを示唆しました。これは、それらが反粒子と同一であることを証明しています。

最近、2017年7月、スタンフォード大学の科学者のチームが、エキゾチックな物質で行われたいくつかの実験でマヨラナ粒子の最初の証拠を発見しました。彼らは、カン・ワン教授の監督の下、カリフォルニア大学と共にこれらの実験を行いましたが、理論的な予測は張首晟のグループからのものでした。

名前

研究者たちは、ダン・ブラウンのベストセラーのスリラー本「天使と悪魔」にちなんで、発見したものを「天使の粒子」と名付けました。この本には、物質と反物質の組み合わせから時限爆弾を作成することが含まれています。しかし、量子の世界では、マヨラナ粒子は角度のみを表し、悪魔は表しません。

アプローチ

「それ自身の反粒子である粒子」の概念は新しいものではありません。世界中の科学者が過去80年間その存在を証明しようとしてきました。

フェルミオンが存在することを実際に知るために、研究者はまず準粒子を発見する必要があります。これは、100％の効率で電気を伝導できる超伝導材料の振る舞いから生じる粒子のような励起です。

準粒子は自然界には見られず、実際のマヨラナフェルミオンを定義する数学的モデルに適合します。ここ数年、研究者たちは超伝導ナノワイヤを含むいくつかの実験を行い、（マヨラナフェルミオンの存在について）いくつかの有望な結果を発見しました。

しかし、準粒子は、空間と時間で伝播するのではなく、1つの特定の場所に付着していました。これにより、科学者が観察した信号の原因が他の影響であるかどうかを特定することが困難になりました。

実験と技術の詳細

凝縮物質系では、マヨラナフェルミオンは、量子物質のトポロジー状態の準粒子として実現できます。たとえば、n = 5/2量子ホール状態、2次元px + ipyスピンレス超伝導体、分数量子ホール効果のムーアリード型状態、超伝導体上のフェルミ粒子原子鎖と強いスピン軌道結合半導体ヘテロ構造などです。

この実験では、科学者たちは冷たい真空チャンバー内に2つの薄膜を積み重ね、そのうちの1つは磁気絶縁体（下部）、もう1つは超伝導体（上部）で、電流を流しました。

底部のフィルムは、中央ではなく、そのエッジまたは表面に沿って電流を流すことができます。したがって、両方のフィルムが一緒になって超伝導トポロジカル絶縁体を作りました。これで、電子は抵抗なく2つの材料の表面のエッジに沿って移動できます。

絶縁体に少量の磁性材料を追加することで、電子は一方の表面の端に沿って一方向に流れ、反対側の表面の端に沿って反対方向に流れることができました。

科学者が次にしたことは、電子の流れを制御するために、スタック上で磁石（従来の磁石）をわずかに動かしたことです。これにより、電子の停止、速度の低下、または方向の切り替えが可能になりました。変更はそれほどスムーズではありませんでしたが、突然のステップで発生しました。

特定の時点で、マヨラナ準粒子は薄い超伝導膜から対になって進化しました。電子のように、それらは絶縁体の端に沿って移動しました。各ペアの1つの準粒子が経路から迂回され、これにより科学者は個々の準粒子の流れを簡単に計算できるようになりました。彼らは、準粒子が電子のちょうど半分の高さで、段階的に停止、減速し、方向を変えたことを観察しました。

これは科学者が探していた証拠です。これらの準粒子は、マヨラナフェルミオンのように作用する物質の励起の結果です。特別な材料で人工的に作成されるもので、宇宙には存在しません（私たちがこれまでに知っていること）。

この特定のタイプのマヨラナ粒子は、一次元の経路で一方向に流れるため、キラルフェルミ粒子と呼ばれます。