Questi ricercatori hanno trovato una particella che è anche la sua antiparticella

Nel 1937, il fisico italiano Ettore Majorana si è lanciato in una previsione piuttosto forte: ha affermato la possibilità che esistano alcune particelle che sono anche le loro stesse antiparticelle. La prima antiparticella è stata scoperta per caso solo qualche anno prima, nel 1932, appena quattro anni dopo che il fisico Paul Dirac aveva predetto la possibilità della loro esistenza. Ma per gli ultimi 80 anni, nessuno è stato in grado di trovare prove convincenti dell'esistenza dell'antiparticella-particella ibrida di Majorana — fino ad ora.

Come spiegato la scorsa settimana su Science, un team di fisici della UC Irvine, dell'UCLA e di Stanford hanno trovato la prima prova convincente dell'esistenza di una particella del genere — conosciuta come fermione di Majorana — e questo tipo di scoperta potrebbe consolidare la strada per computer quantici più resilienti.

Nella fisica, le particelle fondamentali si dividono in due categorie: bosoni e fermioni. La differenza tra queste due categoria ha a che vedere con il loro momento angolare, o spin. Ogni particella fondamentale di entrambe queste categorie ha un gemello cattivo, un'antiparticella che ha la stessa identica massa ma la carica elettrica opposta. Quando una particella e un'antiparticella si incontrano, si annichiliscono a vicenda, rilasciando una scarica di energia.

La previsione di Majorana ipotizzava che, nella categoria dei fermioni, che include i protoni, i neutroni e i quark, dovrebbe esistere anche una particella che è anche la sua antiparticella. Il problema era che questo fermione di Majorana non avrebbe avuto alcuna carica, similmente a ciò che accade a un neutrone o a un neutrino. Nel 1956, i fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno trovato l'antiparticella del neutrone. Per questo motivo, il neutrino è diventato un buon candidato per essere il fermione di Majorana e, ancora oggi, si conducono esperimenti su questa ipotesi.

Al momento ci sono quattro esperimenti in corso nel mondo il cui scopo è verificare la possibilità che il neutrino sia un fermione di Majorana. Uno di questi, l'EXO-200, funziona grazie a una gigantesca macchina ricolma di 110 chilogrammi di xeno liquido che misura il decadimento degli isotopi di xeno. Ma la vera sfida che questi grandi, complicati e costosi esperimenti pongono, riguarda il fatto che non si avranno risultati concreti prima di circa un decennio.

Un paio di anni fa, i fisici della UC Irvine, della UCLA e di Stanford hanno capito che che i fermioni di Majorana potevano anche essere creati attraverso la manipolazioni di alcuni materiali esotici, come i superconduttori. Per questo motivo, si sono organizzati per fare un giro di prova con questo nuovo approccio.

In questo caso, ciò che i fisici stavano cercando sono le cosiddette 'quasiparticelle.' Queste entità si differenziano dal comportamento collettivo degli elettroni sul piano fisico, e dimostrano alcune proprietà delle particelle, come il momentum, senza essere delle vere e proprie particelle. Un'analogia utile per capire è la seguente: c'è una bolla in un bicchiere di birra, e questa bolla non è del tutto una cosa indipendente, ma è il risultato dello spostamento della birra causato dall'anidride carbonica, che mantiene però determinate caratteristiche osservabili mentre sale lungo il bicchiere.

Nella corsa dietro a queste quasiparticelle fermioniche di Majorana, i ricercatori hanno fatto uso di materiali superconduttivi, che conducono l'elettricità con un'efficienza del 100 percento, e di un isolante topologico magnetico, che conduce elettricità lungo la sua superficie ma non al suo interno.

Dopo aver sovrapposto due sottili pellicole di materiale superconduttivo e di isolante topologico uno sopra l'altro, hanno inserito il tutto in un camera a vuoto raffreddata. Quando è stata fatta passare elettricità lungo la struttura, gli elettroni sono scivolati lungo i bordi delle superfici dei materiali in direzioni opposte.

Dopodiché, i ricercatori hanno passato un magnete sopra i materiali, provocando così un rallentamento, poi uno stop e infine un'inversione di direzione degli elettroni — Un processo che si è sviluppato in passaggi osservabili e ben distinti, anziché di punto in bianco. Mentre veniva applicato il magnete, alcune coppie di quasiparticelle di Majorana sono emerse dalla pellicola superconduttiva e sono passate lungo i bordi dell'isolante topologico.

Come per gli elettroni, anche il senso di marcia delle quasiparticelle di Majorana ha rallentato, si è bloccato e poi invertito alla presenza del magnete, ma a velocità dimmezzata rispetto agli elettroni. È stato questo valore, quello della velocità dimezzata, a fungere da segnale dell'esistenza delle quasiparticelle di Majorana.

"Il nostro team ha predetto con esattezza dove trovare il fermione di Majorana e qual era il segnale che ci avrebbe allertato della riuscita dell'esperimento," ha spiegato in una dichiarazione Shoucheng Zhang, professore di fisica a Stanford. "Questa scoperta conclude una delle ricerche più intense della fisica fondamentale, durata esattamente 80 anni."

Secondo Zhang e i suoi colleghi, la scoperta potrebbe essere usata per progettare computer quantici resistenti al rumore ambientale, in futuro. Questo evento non danneggia però l'importanza di esperimenti in corso come EXO-200, che stanno cercando le vere particelle di Majorana, anziché le quasiparticelle.

"Le quasiparticelle che hanno osservato sono manifestazioni di eccitazione in un materiale che si comporta come le particelle di Majorana," ha spiegato in una dichiarazione Giorgio Gratta, professore di fisica di Stanford che non era coinvolto nell'esperimento. "Non si tratta però di particelle elementari e, inoltre, sono state create in maniera estremamente artificiale attraverso un materiale preparato per l'occasione. È molto improbabile che possano manifestarsi in questa maniera nell'universo, anche se chi siamo noi per dirlo? C'è da dire, d'altro canto, che i neutrini sono ovunque."

Ciononostante, la scoperta di quella che Zhang chiama "particella angelo" è un grande evento per la fisica delle particelle perché fornisce la prima prova concreta dell'esistenza dei fermioni di Majorana.

"Questa ricerca è il culmine di un percorso durato molti anni per trovare i fermioni di Majorana," ha spiegato Tom Devereaux, direttore dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, dove Zhang ha eseguito la ricerca. "È un evento cruciale per questo campo di ricerca."