majorana

Anapole donkere materie: heeft donkere materie een onzichtbaarheidsmantel?

3 reacties / natuurkunde, Techniek, Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door Germen Roding / 29 augustus 2015 29 augustus 2015

Vijfzesde van de materie in het heelal bestaan uit materie die we niet waar kunnen nemen, anders dan door zwaartekracht. Natuurkundigen over de hele wereld pijnigen zich de hersenen over de aard van deze materie. Een nieuw, eenvoudig maar krachtig idee wordt de laatste jaren steeds populairder. Zou donkere materie zich vermommen door anapole elektromagnetische velden die elkaar cancelen?

Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).

Anapolen: onzichtbare velden
Eerst een lesje Grieks. Een magneet heeft een noord- en zuidpool, twee polen dus en heet daarom een dipool. Een elektrische lading kan wel los voorkomen en vormt een enkele pool, een monopool. Uiteraard kan van een positieve lading, gescheiden van een negatieve lading, ook een dipool gemaakt worden. Er bestaan ook elektromagnetische velden met vier polen (quadrupolen) en acht polen (octapolen). Anapolen (zonder pool) kennen geen enkele pool. Een anapool veld is van buiten onzichtbaar. Een elektromagnetische onzichtbaarheidsmantel dus. Wat, als donkere-materiedeeltjes door zo’n anapool veld omgeven worden en daarom onzichtbaar zijn? Dit zou verklaren, waarom ze niet waar te nemen zijn.

Majoranadeeltjes
De op mysterieuze wijze in 1934 verdwenen Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana veronderstelde dat er fermionische deeltjes bestaan, die hun eigen antideeltjes zijn. Deeltjes met deze eigenschap staan bekend als Majoranadeeltjes. Majoranadeeltjes zijn een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie, omdat ze alleen met elkaar reageren. Tot nu toe zijn er nog geen Majoranadeeltjes gevonden, alleen quasideeltjes met Majorana-eigenschappen. Fotonen zijn hun eigen antideeltjes en kunnen elkaar annihileren, maar dit zijn bosonen, geen fermionen.

Hoe zien anapolen er uit?
Magnetische anapolen zijn oorspronkelijk in 1958 voorgesteld door de briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Zelâ€™dovich. In 1977 aangetoond in de atoomkernen van cesium-133 and ytterbium-174. In deze oplossing lopen de magnetische veldlijnen in een ring. De elektrische veldlijnen omcirkelen deze ring als hoepels, zie de bovenste afbeelding in het diagram. Je kan zien dat er geen enkele veldlijn ontsnapt uit deze structuur. De reden dat anapolen vrijwel onmogelijk waar te nemen zijn.

Anapolen enige toegestane veld rond Majoranadeeltjes
In een artikel analyseerden de natuurkundigen Robert Scherrer en Chiu Man Ho, die voor Vanderbilt University werken, welke vormen van elektromagnetische velden rond Majoranadeeltjes zijn toegestaan volgens de kwantummechanica. [2] Naar bleek, kunnen alleen anapolen rond Majoranadeeltjes voorkomen.

Hoe sneller, hoe meer wisselwerking
Hoe sneller anapolen bewegen, hoe sterker ze wisselwerken. Bij het ontstaan van het universum zou dan veel donkere materie deze wisselwerking hebben vertoond. Nu is door de veel lagere snelheden wisselwerking zeldzaam, waardoor de donkere materie rond zou blijven kolken.

Zou dit de verklaring voor donkere materie kunnen vormen?
Deze theorie is een erg elegant stukje natuurkunde. Er hoeft geen nieuwe natuurkracht te worden verzonnen, een beroep op de oude, vertrouwde elektromagnetische kracht is voldoende. Twee netelige problemen: de net als hun bedenker al een kleine eeuw vermiste Majoranadeeltjes en een ontbrekende verklaring voor de donkere materie worden in één klap opgelost. Scherrer en Ho tonen ook overtuigend aan, dat alleen een anapool veld rond een Majorana-fermion voor kan komen. Met andere woorden: bestaat het Majorana-fermion, dan moet het een anapool veld hebben, dus vrijwel onwaarneembaar zijn.

Het enige wat ontbreekt aan deze theorie is de detectie van het Majorana-fermion. Door deze duidelijke wiskundige omschrijving is het opzetten van een goed experiment om het deeltje aan te tonen of juist uit te sluiten, wel een stuk eenvoudiger geworden.

Anapolen als onzichtbaarheidsmantel en energieopslag
Zou je in staat zijn zelf grote anapolen te maken, dan zou je hierin energie op kunnen slaan. Ook zou je structuren ‘onzichtbaar’ kunnen maken. Dit laatste is precies wat een groepje Australiërs aan de Australian National University heeft gedaan. [4] Door de ladingen hierbinnen zo te verdelen dat zich een anapool vormde, slaagden de onderzoekers er in, schijfjes silicium op nanoschaal onzichtbaar te maken. Kortom: er zou wel eens een hoorn des overvloeds aan nieuwe technologie en mogelijkheden uit dit principe kunnen vloeien. [5]

Bronnen
1. Chiu Man Ho en Robert J. Scherrer, Anapole dark matter, Phys. Rev. Letters B, 2013
2. Boudjema, F.; Hamzaoui, C.; Rahal, V.; Ren, H. C., Electromagnetic properties of generalized Majorana particles (1989), Phys. Rev. Lett. 62 (8): 852â€“854,doi:10.1103/PhysRevLett.62.852
3. New, simple theory may explain mysterious dark matter, Vanderbilt University News, 2013
4. Andrey E. Miroshnichenko et al., Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles. Nature Communications, 2015; 6: 8069 DOI:10.1038/ncomms9069
5. New Theory to lead to radiationless revolution, ANU Newsroom, 2015

Ettore Majorana voorspelde het bestaan van een fermion dat zichzelf kon vernietigen. Zelf verdween hij in 1938 spoorloos.

Niet-bestaand deeltje ontdekt

2 reacties / Ideeën, Wetenschap / Door Germen Roding / 14 april 2012 14 april 2012

Onderzoekers van de TU Delft haalden het wereldnieuws met de ontdekking van een pseudo-Majorana fermion. Wat hebben ze precies ontdekt, en wat is de betekenis?

Bosonen en fermionen
Er zijn verschillende manieren om elementaire deeltjes in te delen. Eén van de nuttigste is die in bosonen en fermionen.
Bosonen zijn gemakkelijk op elkaar te proppen en kunnen ook een kwantumcondensaat vormen. Bosonen zijn deeltjes met een heeltallige spin, een kwantumeigenschap die heel iets weg heeft van draairichting. Fermionen hebben een halftallige spin. Fotonen, lichtdeeltjes, bijvoorbeeld, hebben een spin van 2, een geheel getal, en zijn dus bosonen.

Elektronen hebben een spin van 1/2 en zijn daarmee fermionen. Twee fermionen kunnen een paar vormen en gedragen zich dan als bosonen. Zo kunnen paren helium-3 atomen toch een supervloeistof vormen (iets dat alleen bosonen kunnen), terwijl een helium-3 atoom een oneven aantal fermionen bevat en dus een fermion is. Elektronen vormen zogeheten Cooperparen in een supergeleider en vormen zo een ‘supervloeistof’ van bosonische Cooperparen.

Antideeltjes en Majoranadeeltjes
Elk deeltje heeft een antideeltje. Een antideeltje kan je zien als een deeltje dat terug in de tijd reist of als een deeltje waarvan elke eigenschap omgekeerd is, behalve de massa. Zo heeft een anti-elektron (een positron), een positieve i.p.v. negatieve lading, een spin van -1/2 etcetera. Het foton is zijn eigen antideeltje en verder het exotische Z-boson (belangrijk bij sommige kernreacties). Anti-licht bestaat dus niet voorzover we weten (al zou het erg handig zijn).

De streng-katholieke Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana (1906-?), volgens zijn collega Fermi slimmer dan Einstein, voorspelde in 1937 op grond van wiskundige analyse het bestaan van fermionen die hun eigen antideeltje zijn. Deze Majorana-fermionen, deeltjes dus met een ‘gebroken’ spingetal die, net als fotonen en Z-deeltjes, hun eigen antideeltje zijn, zijn tot nu toe nooit ontdekt. Volgens sommige theorieën bestaat de zogeheten donkere materie uit Majorana-fermionen. Als deze elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar. Majorana verdween in 1938 spoorloos, na het schrijven van twee raadselachtige afscheidsbrieven. Zelfmoord? Een nieuw leven in een klooster, zoals een latere biograaf aannam? Of ontvoerd en vermoord, bijvoorbeeld omdat hij teveel wist? Niemand die het weet.

Pseudo-Majoranadeeltjes ontdekt
Wat de Delftse onderzoeksgroep heeft ontdekt zijn geen echte Majoranadeeltjes, maar pseudo-Majoranadeeltjes (of quasideeltjes). Dat zijn groepen deeltjes, in dit geval elektronen, die zich gedragen als enkel deeltje. In de proefopstelling van de Delftse groep werden door een listige opstelling van een nanodraadje en een supergeleidend draadje twee quasi-Majoranadeeltjes gecreëerd. Dit weten we omdat het gedrag van elektronen die door het draadje vloeiden, veranderde en de simpelste verklaring is, dat zich een paar quasi-Majoranadeeltjes vormde.

Waarom toch nuttig?
Niet-bestaande deeltjes lijken op het eerste gezicht niet erg nuttig. Toch zijn deze pseudodeeltjes om twee redenen erg bruikbaar (al is het hallelujageroep, inclusief spculaties over een Nobelprijs, ietwat overdreven). Ten eerste zijn hiermee allerlei experimenten te doen, die een indruk kunnen geven hoe ‘echte’ Majoranadeeltjes (als ze bestaan) zich gedragen. Zo kunnen deeltjesfysici en astronomen gerichter zoeken naar sporen van elementaire Majoranadeeltjes.

Van meer direct praktisch nut is de toepassing van deze pseudodeeltjes in een kwantumcomputer. Gedacht wordt dat deze minder gevoelig zullen zijn voor verstoringen, en dus het weglekken van de kwantuminformatie, dan qubits bestaande uit elementaire deeltjes. Klopt dit, dan zouden werkende kwantumcomputers realiteit kunnen worden. Kwantumcomputers kunnen enkele typen berekeningen veel sneller uitvoeren dan bestaande computers.

Bronnen
‘Wetenschappers vinden langgezocht Majoranadeeltje’ – TU Delft (2012)
L.P. Kouwenhoven et al., Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices, Science (2012), DOI: 10.1126/science.1222360