Evreni kim yarattı
"Tanrı parçacığı" adı verilen Higgs parçacığı, bazı maddelerin kütlesini belirler ve insanlar izlerini büyük parçacık çarpıştırıcısında bulmuş gibi görünür; ama aynı zamanda çok önemli olan bir parçacık türü de vardır ve onu çözmemize yardımcı olurlar. "Karanlık maddenin gizemi" ve "madde varoluşunun gizemi" nin anahtarı olan bilim adamları, cevap verebilecek bu tür bir parçacık olduğuna bile inanıyorlar.
Gizemli kişi, gizemli parçacık
Evreni kimin yarattığı sorusuna cevap vermek için korkarım tuhaf bir kişinin ismine değinmek zorundayım.
1930'larda, İtalyan fizik topluluğu, Majorana adlı Fermi'ye eşit bir deha üretti. Fermi'nin dehası esas olarak deneylerde kendini gösterirken, Majorana'nın dehası teoride tezahür ediyor.Aynı gruba aitler ve ikisi birbirini tamamlıyor, bu da İtalyan fiziğinin refahına katkıda bulunuyor.
Ama Majorana çok tuhaf bir insan, düşüncelerini nadiren deneme olarak yazıyor, öyle olsalar bile çekmecelere doldurulmuş ve nadiren yayınlanmış. Daha da gizemlisi, Mart 1938'de sadece 32 yaşındaki Majorana'nın aniden ortadan kaybolması ve bir daha ortaya çıkmamasıdır.
70 yıldan fazla bir süre sonra, uluslararası fizik topluluğu hala hararetle tartışıyor ve "Majorana" yı arıyor, ancak bu Majorana'nın kendisi değil, onun adını taşıyan bir tür parçacık. Bu parçacığın özel bir kimliği var. Hem madde hem de antimadde. Pozitif ve negatif maddeyi birleştiriyor. Bulursak, evrenin toplam kütlesinin% 85'inden fazlasını oluşturan gizemli bir madde olan karanlık maddeyi tanımlamamıza yardımcı olabilir. Kimlik, uzun süredir devam eden bir gizemi yanıtlamamıza bile yardımcı olabilir: Evrende neden madde var?
Ancak, şimdiye kadar, insanların bu tür parçacıkları aramaları hala verimsiz. Bazı insanlar, nötrinolar gibi Majorana parçacıklarının vücudumuzda saniyede milyonlarca hızla vızıldayarak geçtiğini düşünüyor; diğerleri onları Avrupa Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda bulacağımızı söylüyor. Ancak bu ifadelerin sağlam bir temeli yok.
Majorana parçacıklarının neredeyse Majorana kadar gizemli olduğunu görmek zor değil.
Tai Chi parçacıklarının kökeni
Bu tür parçacıklar, Çin Tai Chi resmimiz gibi, pozitif ve negatif maddelerin bir toplamı olduğu için yin ve yang'ı birleştirir. Biz buna Tai Chi parçacığı diyoruz.
Bu bilinmeyen gizemli parçacık, İngiliz fizikçi Dirac tarafından oluşturulan bir denklemde hafif bir düzeltme yapıldıktan sonra Majorana tarafından önerildi.
20. yüzyılın başlarında görelilik ve kuantum mekaniğinin öncülüğünde fizikte bir devrim olduğunu biliyoruz. Ancak ilk 20 yıl içinde, görelilik teorisi ve kuantum mekaniği, bir dağın tepesinde duran ve her biri kral olan bir ayaklanma ordusu gibi birbirinden bağımsız olarak gelişti. Dirac, elektronların ve diğer fermiyonların davranışını tanımlamak için 1928'e kadar kuantum mekaniği ile özel göreliliği bir denklem aracılığıyla birleştirdi (genel görelilik için henüz kuantum mekaniği ile birleştirilmedi).
Özel görelilik teorisi ve kuantum mekaniği "evlenir" olmaz, önemli bir sonuç ortaya çıktı: bir antiparçacık sınıfının varlığının tahmini. Örneğin, elektronların kendi antiparçacıkları olmalıdır (şimdi pozitron olarak adlandırılır) Yüklerin zıt işaretleri dışında, kütle, yük, dönme vb. Gibi diğer özellikler tamamen aynıdır. 1932'de Amerikalı fizikçi Anderson bir deneyde pozitronu yakaladı ve özellikleri tam olarak Dirac'ın beklediği gibiydi. O zamandan beri, antimadde kavramı herkes tarafından geniş çapta kabul edildi.
Pozitif ve anti-madde ile ilgili en etkileyici şey, ikisinin doğal olarak düşman olmasıdır. "Düşman bir araya gelemez" şeklinde bir söz olsa da, çift bir araya gelemez. Buluştuklarında "birlikte ateş edecekler" yani bir anda birbirleriyle buluşacaklardır. Yok etme, saf enerjiye dönüştü. Bu özelliğinden dolayı, pozitif ve negatif maddeler, bilim kurgu için tükenmez malzemeler haline gelmiştir. Bununla birlikte, büyük bir evren gizemi de takip etti: Simetri gerekliliği nedeniyle, Büyük Patlama'nın başlangıcında, üretilen pozitif ve negatif madde miktarı kesinlikle eşit olmalıdır; ancak durum buysa, o zaman mantıksal olarak konuşursak, O zaman tamamen yok edilecekler ve hiçbir şey kalmayacak; ancak birçok galaksi, yıldız ve gezegen dahil olmak üzere pozitif maddeden oluşan dünyamız neden bugüne kadar korunabilir?
Dirac'ın orijinal teorisinde, yalnızca yüklü fermiyonların antiparçacıkları vardır. Majorana, Dirac'ın teorisinde hafif bir düzeltme yaptı ve sonucu, yüklenmemiş fermiyonların da antiparçacıklara sahip olduğu gerçeğine kadar genişletti. Örneğin, nötronlar fermiyonlardır ve yüklü değildirler, ancak nötronların da antiparçacıklar-antinötronlar vardır.Bu, sonraki deneylerle doğrulanmıştır.
Daha ilginç bir şekilde, Majorana böyle bir tür fermiyonun varlığını da öngördü: hem bir parçacık hem de bir antiparçacık olan "ikili bir kişiliğe" sahiptir veya başka bir deyişle, artıları ve eksileri birleştirir (bu özellikten, biz Bu tür parçacıkların kesinlikle yüklü olmadığı sonucuna varmak zor değil); tam olarak aynı türden iki parçacık bir araya gelirse, tıpkı bir parçacık bir karşı parçacıkla karşılaştığı gibi yok edileceklerdir. Bu tür fermiyonlara "Majorana parçacıkları" denir.
Neden gizemli parçacık bir fermiyon olmak zorunda?
Önceki makalede, neden Majorana parçacıklarının ilk etapta fermiyonlar olması gerektiğini vurgulamaya devam ediyoruz? Bunun nedeni Dirac'ın teorisinin yalnızca fermiyonları tanımlamak için uygun olmasıdır. Majorana daha sonra bu teoriyi revize etse de uygulanabilir. Koşullar değişmedi, bu yüzden Majorana'nın tahminleri yalnızca fermiyonlara uygulanabilir; ikincisi, doğada fermiyonlar en yaygın ve önemli parçacık türüdür ve şimdiye kadar kuarklar ve leptonlar dahil olmak üzere maddenin temel birimlerini oluştururlar. (Elektron ve müon gibi parçacıklar kütleleri küçüktür ve güçlü nükleer kuvvetlerin etkisine katılmazlar.) Hepsi fermiyonlardır.Olumlu ve olumsuz maddeyi bütünleştiren bir tür parçacık bulmak büyük önem taşır.
Ancak bir önceki makaleyi okurken bu duruma dikkat etmeyebilirsiniz, ancak Majorana parçacıklarının ender görülen özelliği olan "kendi halkınıza karşısınız" ve hatta bu tür saçma davranışlara sahip parçacıkların olacağından şüpheleniyorsunuz. Var olmayacak.
Size söyleyeyim, eğer fermiyon gereksinimi bir kenara bırakılırsa, artılarını ve eksilerini bir araya getiren ve birbirleriyle "birlikte ateşlenecek" parçacıklar zaten doğada var olmuştur.
Örneğin, parçacık fiziğinin Standart Modeli, yüklü olsun ya da olmasın herhangi bir parçacığın kendi antiparçacığına sahip olduğunu ve yüklü değillerse etkileşimleri-bozonları aktaran parçacıkların (çünkü zayıf nükleer kuvvetleri aktaran bozonlar) olduğunu öngörür. Yüklü olanlar vardır) ve onun karşı parçacığı kendisidir; bu tür iki tam olarak aynı bozon karşılaştıklarında yok edilecekler. Şu anda bu koşulu karşılayan parçacıklar şunları içerir: elektromanyetik kuvvet ileten fotonlar, güçlü nükleer kuvvet ileten gluonlar, yerçekimini iletmesi beklenen gravitonlar, zayıf nükleer kuvvetleri ileten Z0 ve yakın zamanda keşfedilen Higgs parçacıkları.
Örneğin, sıfır hareketsiz kütleli yüksüz bir fotonun antiparçacığı kendisidir. Bazı çok ender durumlarda, iki foton çarpıştıklarında birbirlerini yok edecekler ve saf enerjiye dönüşecekler, ancak yok edilen enerji daha yüksek enerjili bir foton biçiminde yeniden salınır. Diye sorabilirsiniz, her yerde fotonlar var, iki fotonun karşılaşması neden bu kadar nadir oluyor? Bunun nedeni, fotonların her zaman yüksek hızda hareket etmeleri ve bir araya getirilmelerinin zor olmasıdır.Aslında uzayda çok seyrek dağılmışlardır. Yeni tanışmak hala çok nadirdir.
Bu nedenle, fermiyonlar için bir gereklilik yoksa, fotonlara Majorana parçacıkları denebilir ve etkileşimleri aktaran ve yüklü olmayan diğer bozon türlerinin de olması muhtemeldir.
Bununla birlikte, Majorana parçacıkları için gerekli olan tam olarak birincisi "fermiyonlar" dır. Şu anda, tüm fermiyonlar arasında, "pozitif ve negatif maddeyi tek bir vücutta bütünleştirme" özelliğini karşılayan bir parçacık yoktur. Dolayısıyla fizikçilerin ilgisini çeken Majorana parçacıkları olup olmadığı.
Nötrinolar Tai Chi parçacıkları mı?
Bilinen tüm temel parçacıklar arasında nötrinolar, Majorana parçacıkları için en popüler adaylardır. Nötrinolar nükleer reaksiyonların "sık ziyaretçileri" dir, ancak bu tür parçacıklar çok küçük ve çok "sıradışı" dır. Güçlü nükleer ve elektromanyetik kuvvetlerin eylemine katılmıyorlar, başka bir deyişle, sıradan maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmiyorlar, bu yüzden tespit edilmeleri zor, nötrinolar hakkında hala fazla bir şey bilmiyoruz.
Şu anda, parçacık fiziğinin standart modelinde nötrinolar yüksüz fermiyonlardır. Üç tür nötrino vardır: biri elektronik nötrino, biri müon nötrino ve diğeri Tau alt tipi nötrinolar. Üç nötrino türünün her birinin kendi antinötrinoları vardır. Nötrinolar ve antinötrinolar farklı parçacıklardır.
Nötrinoların sınıflandırılması deneylerle doğrulanmıştır, ancak "nötrinoların ve antinötrinoların farklı parçacıklar olduğu" noktası şu anda sadece teorik bir spekülasyondur.
Bununla birlikte, diğer bazı teoriler, bu spekülasyonun bir yanılsama olabileceğini ve nötrinoların ve antinötrinoların muhtemelen aynı şey olduğunu öne sürüyor. Başka bir deyişle, nötrinolar muhtemelen artıları ve eksileri birleştiren Majorana parçacıklarıdır.
Bir nötrinonun bir Majorana parçacığı olup olmadığını belirlemenin tek yolu, aynı türden iki nötrinoyu çarpışmak ve birbirlerini yok edip edemeyeceklerini görmektir. Ne yazık ki nötrinolar çok "izole edilmiştir". Nötrinolar büyük bir madde grubuyla karşılaştığında, iki çok küçük nötrino bir araya gelmek şöyle dursun, hiçlik durumundaymış gibi olurlar.
Deneye özel olarak, nötrino üretmeyen bir tür çift beta bozunması gözlemlemek. Normalde, her beta bozunması bir antinötrino yayar, ancak bazı çekirdekler, her seferinde bir antinötrino yayan arka arkaya iki beta bozunmasına sahip olacaktır. Bu, çift beta bozunmasıdır. Genel olarak konuşursak, iki beta bozunması iki antinötrino yayar, ancak nötrinolar Majorana parçacıklarıysa, nötrinolar ve antinötrinolar aynı şeyse, bırakın bu iki antinötrino İyonlar karşılaştıklarında birbirlerini yok edebilirler ve çift beta bozunmasının bir sonucu olarak nötrinolar olmaz.
Elbette, bu deney Jiang Taigong balıkçılığından daha fazla sabır gerektirir. Nötrinolar gerçekten Majorana parçacıklarıysa, çift beta bozunması yeteneğine sahip bir atom çekirdeğinde ortalama olarak her 1025 yılda bir nötrino çift beta bozunması üretmediği tahmin edilmektedir. 2001 yılında, Almanya ve Rusya'dan ortak bir ekip, germanyum-76 çekirdeğini 10 yıldır gözlemlediklerini ve sonunda böyle bir durumu gözlemlediklerini bildirdi. Ancak bu tür bir deney bir süre tekrarlanamayacağı için sonuçları hala sorgulanmaktadır.
2012 yılında, 4 ülkeden 100'den fazla fizikçi, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda toplandı ve tekrarlanıp tekrarlanamayacağını görmek için yaklaşık 1 ton germanyum-76'yı izlemek için bir Majorana sondası yapmaya hazırlandı. Yukarıdaki sonuçlar elde edilmiştir.
Karanlık maddenin gizemi ve maddenin varoluşunun gizemi
Bazı insanlar umutlarını Avrupa Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'na da bağladılar. Temmuz 2012'de bilim adamları, Hadron Çarpıştırıcısı'nda "uzun zamandır hayranlık duyulan" Higgs parçacığını bulduklarını açıkladılar. Bir sonraki adımda, süpersimetri teorisini doğrulayacaklar.
Süpersimetri teorisi, standart model parçacık tablosundaki her parçacığın çok daha ağır, keşfedilmemiş bir "süpersimetri ortağı" olduğunu öngörür. Fermiyonların süpersimetrik ortağı bozondur ve bozonların süpersimetrik ortağı fermiyondur. Süpersimetri, fermiyonların ve bozonların bire bir yazışma oluşturduğu anlamına gelir.
Yakın zamanda keşfedilen Higgs parçacığını yüksüz bir bozona örnek olarak alın ve onun süpersimetrik ortağı yüksüz bir fermiyon olmalıdır (şimdilik süpersimetrik Higgs parçacığı olarak adlandırılır). Higgs parçacığının antiparçacığı kendisidir, bu nedenle süpersimetrik Higgs parçacığının antiparçacığı da kendisi olmalıdır. Süpersimetrik Higgs parçacığı bir fermiyon olduğundan, muhtemelen bir Majorana parçacığıdır.İki süper simetrik Higgs parçacığı karşılaştığında, birbirlerini yok edeceklerdir.
Ayrıca şu anda bilim adamları tarafından gizemli bir karanlık madde oluşturduğu düşünülen "Zayıf Etkileşen Büyük Parçacıklar (WIMP)" adlı bir süper simetrik parçacık da vardır (dergimizdeki "Evrendeki" Karanlık İmparatorluğun "Ana Kuvvetleri" makalesine bakın, 2012), Bu parçacık muhtemelen aynı zamanda Majorana parçacığıdır. Durum böyleyse, bu tür parçacıkların karşılıklı olarak yok edilmesi, şu anda kozmik ışınlarda gözlemlenen bazı anormallikleri açıklayabilir.
Elbette, şu anda Hadron Çarpıştırıcısı'nda süpersimetrik parçacıklar aramak, sisteki çiçeklere bakmak gibidir ve ondan Majorana parçacıklarını aramasını istemek daha da güzeldir. Konuyu değiştirelim ve Majorana parçacıklarının maddenin varlığının gizemini nasıl açıklayabileceğinden bahsedelim.
Büyük Patlama'nın ilk günlerinde bir tür yüksüz yüksek enerjili fermiyonlar olduğunu hayal edebiliriz. Eğer bu parçacık ve onun karşı parçacığı tamamen farklı iki parçacık tipiyse ve Büyük Patlama'da üretilen miktar kesinlikle eşitse, o zaman Evrenin sıcaklığı düştükçe, her biri diğer madde parçacıklarına ve antimadde parçacıklarına dönüşecekler.Bu pozitif ve negatif madde parçacıklarının miktarı da kesinlikle eşit olacak, bu şekilde bu pozitif ve negatif maddeler sonunda birbirlerini yok edecek ve hiçbir şey olmayacak. Ayrıldı.
Bununla birlikte, parçacıklar Majorana parçacıkları ise durum farklıdır. Bu tür bir parçacık hem bir madde parçacığı hem de bir antimadde parçacığı olduğu için, bozunduğunda, gelişigüzel bir şekilde diğer madde parçacıklarına ve antimadde parçacıklarına dönüşebilir. Madde parçacıkları ve antimadde parçacıklarının sayısı kesinlikle eşit olmak zorunda değildir.Bu nedenle, bozulmuş madde parçacıkları antimadde parçacıklarından biraz daha fazla olduğu sürece, yok etme yok edildikten sonra, kalan madde parçacıkları bir galaksi oluşturmaya yeterlidir. Yıldızlar ve gezegenler tek kelimeyle maddeden oluşan dünyamızı oluşturur.
İkiye bölünmüş elektronlar
İlginç bir şekilde, Haziran 2012'de, Amerikalı fizikçiler süper iletken malzemelerdeki "yarı" Majorana parçacıklarının izlerini keşfettiler. "Yarı", parçacık fiziği anlamında bir Majorana parçacığı olmadığı, ancak performansının Majorana parçacıklarının özelliklerine uygun olduğu anlamına gelir. Tıpkı insanların birkaç yıl önce yarattığı akustik kara delikler gibi, gerçek anlamda bir kara delik değil, çok çok bir kara delik gibi davranıyor.
Pozitif ve negatif parçacıklar karşılaştıklarında birbirlerini yok edeceklerini biliyoruz, bu nedenle gerçek bir pozitron sayısız elektronla dolu bir nesneye kırılırsa hemen "batıya doğru yok olur". Ancak süperiletkenlerde, çevreleyen elektronların okyanusunda güvenle yaşayabilen bir tür "pozitron" vardır. Bu "pozitron" bir deliktir.
Süperiletkenlerde, delikler orijinal olarak elektronların işgal ettiği "çukurlardır". Elektronların 1 birim negatif yük taşıdığını biliyoruz, ancak süperiletken bir bütün olarak yüklü değildir, bu nedenle her deliğin 1 birim pozitif yük taşıdığını hayal edebiliriz, böylece iki faz nötrleştirilir ve süperiletken elektriksel olarak nötr olur. Süperiletkene enerji verildiğinde, elektronlar, yük darbesini duyan bir asker gibi delikten dışarı sıçrayarak, orijinal konumunda yalnızca pozitif yüklü bir delik bırakarak; ilerleyen elektron dikkatli değilse Başkalarının bıraktığı deliğe düştüğünde, pozisyon tekrar elektriksel olarak nötr hale gelir. Bütün bunlar elektron imhasına çok benzer. Bu nedenle, birçok yönden süper iletkenlerdeki delikler, pozitronlara çok benzer.
Deliklerin ve pozitronların davranışları soğuktur, bu da bilim adamlarının "yarı" Majorana parçacıkları oluşturmasını mümkün kılar. Yarım elektron ve yarım deliği birleştirebilirsek, teorik olarak toplam yükü sıfır olan bir fermiyon elde ederiz ve bunun karşıt parçacığı kendisidir, o zaman bu "yarı" bir Majorana parçacığıdır. .
"Bir dakika! Elektron bir tür temel parçacıktır. Onu ikiye bölemiyoruz, değil mi?"
Bu yanlış değil ama süperiletkenlerin büyülü dünyasında her şey olabilir. Muhtemelen spor salonundaki kalabalığı herkes görmüştür, farklı koltuklardaki insanlar ayağa kalkıp otururlar .. Kalabalık bir bütün olarak gelir ve gider. Aşırı düşük sıcaklık koşullarında, elektronlar ve delikler bazı niteliklerini yitirmişlerdir.Süperiletkenlerdeki elektronlar ve delikler de insan dalgaları gibidir.Hareketleri dalgaların doğasını sergiler ve süper iletkendeki engelsiz dalgalar gibi olabilirler. Aynı mekik geçti. Bu doğa, insanlara elektronları "bölme" fırsatı verir.
2010 yılında, "yarı" Majorana parçacıklarının üretiminde önemli ilerleme kaydedildi. Birincisi, bilim adamları süper iletkenlerdeki elektronları yalnızca tek boyutlu yönlerde hareket edebilecekleri şekilde kısıtladılar. Ardından bilim adamı elektronların hareketini kesti. Spor salonunun tribünlerine ip çekilirse ve insanlar durmak için bu ipe el sallarsa, dalganın bir "kesiti" olacağını biliyoruz. Aynı şekilde, süperiletken içinde hareket eden dalga kesildiğinde, kırılma noktasında tuhaf bir şey belirir - yarım elektron ve yarım delik kombinasyonu. Bu şekilde, elektronların bir kısmını ve deliklerin bir kısmını içeren "yarı" Majorana parçacıkları ortaya çıktı.
Bu şekilde, 2012'de iki Amerikalı bilim adamı "yarı" Majorana parçacığı bulduklarını iddia ettiler. Ne yazık ki, süperiletkenlerde görünen "yarı" Majorana parçacıkları hala kararsız ve son bir iddiada bulunmaya cesaret edemiyorlar. Bununla birlikte, teorik olarak "yarı" Majorana parçacıklarının varlığının bir sorun olmadığı kanıtlanmıştır.
Süper iletken malzemelerde "yarı" Majorana parçacıkları bulunursa, gerçek Majorana parçacıklarının da doğada var olması gerektiğine inanmak için daha fazla nedenimiz var. Belki de mevcut evreni yaratan bu gizemli adamdı ve sonunda gerçek renklerini ortaya çıkaracak.
