Niet-bestaand deeltje ontdekt

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