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Gleichzeitig Materie und Antimaterie: Forscher entdecken „Engelspartikel“

1. Dezember 2018 | Wissenschaft | Forschung | connectiv.events

Eine Suche von 80 Jahren

80 Jahre suchten Forscher von der Stanford University und der University of California nach Hinweise auf ein Partikelchen, das bis jetzt nur in der Theorie existierte. Ein winziges Teilchen, das gleichzeitig sein eigenes Antiteilchen ist. Eine gewagte Prognose, schließlich war das erste Antiteilchen gerade erst wenige Jahre zuvor durch einen Zufall entdeckt worden. Wissenschaftler auf der ganzen Welt verschrieben sich in den folgenden Jahrzehnten der Suche nach dem sogenannten Majorana-Fermion. Doch niemandem gelang es, die Existenz des Teilchens nachzuweisen – bis jetzt. Diese, im Wissenschaftsjargon ‚Majorana-Fermionen‘ haben ganz besondere Eigenschaften und könnten eines Tages dazu beitragen, die sich entwickelnden, brandneuen Quantencomputer robuster zu machen.

 

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Und nun ist es soweit: Eine Forschergruppe hat gerade den Beweis für dieses höchst seltsame Teilchen gefunden, das verrückterweise auch sein eigenes Antiteilchen ist. Es wurde zuerst vor 80 Jahren rein theoretisch entworfen, aber jetzt scheint es wirklich Realität zu sein. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnisse wurden von Forschern der Stanford University in Kalifornien und der University of California ausgewertet. Die Forscher tauften ihre Entdeckung auf den Namen „Engelteilchen“, in Anlehnung an Dan Browns Thriller Angels & Demons (auf Deutsch: Illuminati), in dem eine Bombe aus Antimaterie eine zentrale Rolle spielt. Ihr Fund könnte vor allem für die Entwicklung von widerstandsfähigeren Quantencomputern bahnbrechend sein.

 

 

Ein geheimnisvolles Teilchen und ein geheimnisvoll verschwundener Wissenschaftler

Die These von der Existenz eines Partikels mit einem eigenen Antiteilchen wurde erstmals 1937 eingeführt, als der italienische Physiker Ettore Majorana (der 1938 auf seltsame Weise verschwand) seine Teilchentheorie vorstellte. Majorana war in höchstem Maße brillant, und bis heute ist sein Verschwinden nicht geklärt.Er versendete allerdings ein paar kryptische Botschaften, die auf Selbstmord hinwiesen. Enge Freunde und die Familie sind aber überzeugt, dass der tiefgläubige Majorana niemals die Sünde des Selbstmordes begangen hätte. Nach Betrachtung aller Umstände vermuten die, die ihn kannten, dass er verhindern wollte, dass seine Erkenntnisse für Massenvernichtungswaffen missbraucht werden würden und  sich deshalb, intelligent wie er war, eine so todsichere Methode wählte, spurlos zu verschwinden, dass man sicher sein konnte, ihn niemals zu finden. Manche vermuteten ihn in einem Kloster.

Majoranas theoretischen Berechnungen besagten, dass innerhalb der Klasse der Fermionen, die Protonen, Elektronen und Neutronen umfassen, einige Teilchen zwingend ihre eigenen Antiteilchen beinhalten müssen. Diese theoretischen Teilchen wurden nach ihrem Entdecker als Majorana-Teilchen bekannt.

 

 

Was ist ein Antiteilchen und was ist so toll an einem Engels-Partikel?

In der Physik werden Elementarteilchen in die beiden Klassen der Fermionen und Bosonen unterteilt, weil sie einen unterschiedlichen Eigendrehimpuls, oder „Spin“, haben. Eines haben jedoch alle Elementarteilchen gemein: Sie haben einen bösen Zwilling. Ein Antiteilchen ist ein Teilchen, das die gleiche Masse hat wie das normale Teilchen, jedoch eine umgekehrte elektrische oder magnetische Eigenschaft. Zum Beispiel ist das Antiteilchen des Elektrons das Positron. Wenn die beiden Teilchen aufeinandertreffen, vernichten sie sich gegenseitig. Es galt nun, das berechnete und theoretisch zwingend vorhanden sein müssende Teilchen auch in der Realität nachzuweisen. Kein leichtes Unterfangen, denn solche Teilchen sind so unendlich winzig und kurzlebig, dass man das Teilchen selbst überhaupt nicht sehen kann, sondern lediglich anhand seiner Spuren und Wirkungen nachweisen kann.

Majorana sagte vor 80 Jahren voraus, dass in der Klasse der Fermionen – zu der Protonen, Neutronen, Elektronen und Quarks gehören – auch ein Teilchen existieren müsste, dass sein eigenes Antiteilchen bildet. Dieses Majorana-Fermion dürfte keine elektrische Ladung haben, also weder positiv noch negativ geladen sein, ähnlich wie ein Neutron oder Neutrino. 1956 entdeckten Physiker des Lawrence Berkeley National Laboratory jedoch das Antiteilchen für Neutronen. Somit blieben die Neutrinos als einziger brauchbarer Kandidat für das Majorana-Fermion übrig, und bis heute finden Experimente auf Grundlage dieser These statt.

 

 

Die Jagd nach dem Engels-Partikel beginnt

Vor ein paar Jahren kamen Forscher der UC Irvine, UCLA und Stanford auf die Idee, das bisher ergebnislose Suchen zu beenden und ein Experiment von einer ganz anderen Seite her aufzuziehen. Sie hatten entdeckt, dass man Majorana-Fermionen auch künstlich erschaffen kann, indem man bestimmte, sehr außergewöhnliche Materialien wie Supraleiter manipuliert. Statt auf die Entdeckung des Majorana-Fermions zu warten, wollten sie es einfach selbst erschaffen.

Bei ihrem Experiment suchten die Forscher nach sogenannten „Quasiteilchen“. Diese Dinger entstehen durch das kollektive Verhalten vieler Teilchen und können dieselben Eigenschaften wie ein normales Teilchen aufweisen, wie beispielsweise Masse, Impuls, Energie, Wellenlänge und Spin. Um das Ganze zu veranschaulichen, stellt Euch einfach ein Bläschen in einem Bierglas vor. Diese Blase ist kein eigenständiges Ding, denn sie ist eigentlich nur ein Loch im Bier, weil die ausgasende Kohlensäure das Bier an der Stelle verdrängt. Trotzdem kann man diesem Bläschen bestimmte Eigenschaften zuschreiben, während es im Glas aufsteigt.

Die Wissenschaftler gingen also ans Werk. In ihren Experimenten stapelte die Physiker-Gruppe in einer gekühlten Vakuumkammer dünne Filme aus zwei Quantenmaterialien zusammen und leitete einen elektrischen Strom hindurch. Jetzt glitten die Elektronen in entgegengesetzter Richtung an den beiden Kanten der Isolatoren-Oberfläche entlang. Der obere Film war ein Supraleiter und der unterste war ein magnetischer topologischer Isolator. Dann wurde ein Magnet über den Stapel hinweg bewegt. Dadurch wurden die dahingleitenden Elektronen langsamer, hielten an und wechselten dann ihre Richtung.

 

 

Sie verraten sich durch den noch „rauchenden Colt“

So konnte das Team die Geschwindigkeit der Elektronen genau beobachten. Unter dem Magnetfeld bildeten sich auch Paare von Majorana-Quasiteilchen auf dem supraleitenden Film, die sich nun ebenfalls am Rand des topologischen Isolatoren entlang bewegten. Genau wie die Elektronen reagierten auch die Majorana-Quasiteilchen auf den Magneten: sie wurden langsamer, hielten an und änderten ihre Richtung – allerdings liefen diese Schritte nur halb so schnell wie bei den Elektronen ab.

Diese halbe Geschwindigkeit entsprach genau den Voraussagen der Theorie, und so wussten die Forscher, dass hier Majorana-Quasiteilchen entstanden waren. Diese besondere Art des Majorana-Quasipartikels, von dem die Forscher überzeugt sind, ihn auf diese Weise gefunden haben, wird als „chiraler“ Fermion bezeichnet, der sich in einer Richtung entlang eines eindimensionalen Pfades bewegt. Natürlich, wie gesagt, kann man ein ultrawinziges  Partikelchen nicht sehen, aber die Forscher schließen aus den aufgetretenen  Begleiterscheinungen, dass sie es gefunden haben. Die beobachteten Spuren bezeichnen sie daher als die „Smoking Gun“, als den noch rauchenden Colt der Anwesenheit von Majorana-Partikeln.

„Die Quasiteilchen, die in diesem Experiment beobachtet wurden, entstammen im Grunde einem Material, das sich wie ein Majorana-Teilchen verhält“, erklärt der Physikprofessor Giorgio Gratta, der nicht an dem Versuch beteiligt war, in einem Statement. „Doch es handelt sich hier nicht um echte Elementarteilchen. Die Quasiteilchen wurden auf künstliche Weise in einem sehr speziell präparierten Umfeld geschaffen. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie so im Universum auftauchen – aber was wissen wir schon?“

 

 

 

 

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