Fermione di Majorana
In fisica delle particelle un fermione di Majorana o particella di Majorana, così detta in onore del fisico teorico italiano Ettore Majorana che l'ha teorizzata, è una particella fermionica che è anche la propria antiparticella.
C'è qualche evidenza sperimentale di osservazione di fermioni di Majorana in natura (v. oltre). Un analogo matematico del fermione è stato osservato in fisica della materia condensata nel 2014, ma in questo caso non si ha a che fare con particelle quanto con quasiparticelle. Il neutrino potrebbe essere un fermione di Majorana così come anche un fermione di Dirac. Qualora il neutrino fosse un fermione di Majorana, sarebbe possibile osservare il doppio decadimento beta senza neutrini. Esperimenti alla ricerca di tale decadimento sono attualmente in corso.
Il neutralino, ipotetica particella prevista dal modello supersimmetrico, sarebbe un fermione di Majorana, ma la sua esistenza non è stata a oggi verificata sperimentalmente.
Teorizzazione[modifica | modifica wikitesto]
Il fermione di Majorana fu teorizzato dal fisico Ettore Majorana che nell'articolo Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone, prefiggendosi l'obiettivo di far cadere la nozione di stato di energia negativa, sottolineava la non necessaria esistenza per alcune particelle, particolarmente neutre, delle rispettive antiparticelle. Partendo dall'equazione di Dirac, la risolveva scomponendo la soluzione in due parti, per massa di segno positivo, e dimostrava che a queste soluzioni erano associate particelle incapaci di generare densità di carica-corrente elettromagnetica per cui in sostanza a carica neutra.
Successive scoperte come quella del fotone e del pione neutro, particelle a carica neutra e spin intero, hanno mostrato che questi bosoni hanno le stesse proprietà delle loro antiparticelle. Le particelle di Majorana sono però dei fermioni a spin semintero e l'osservazione di tale coincidenza non è stata ancora verificata sperimentalmente. È possibile che di queste particelle facciano parte i neutrini, ma l'argomento è ancora oggetto di studio.
Esperimenti[modifica | modifica wikitesto]
L'esperimento NEMO-3[modifica | modifica wikitesto]
L'esperimento NEMO-3, in corso dal 2003 sotto il traforo del Frejus, è stato organizzato per accertare se il doppio decadimento beta può avvenire in assenza di neutrini. In caso positivo, questo proverebbe che il neutrino è un fermione di Majorana.
L'esperimento GERDA[modifica | modifica wikitesto]
Proposto nel 2004 è in corso dal 2010 nei laboratori dell'INFN del Gran Sasso. Utilizza un rivelatore al Germanio, l'isotopo 76Ge, per studiare il doppio decadimento beta, previsto dalla teoria di Majorana.
Esperimento Kitaev[modifica | modifica wikitesto]
Nel 2000 al fisico teorico russo Alexei Kitaev venne una idea che sarà pubblicata nel 2001 [1]: i fermioni di Majorana potrebbero essere rintracciati alle estremità di un filo superconduttore.
Nel 2011 il lavoro Teorico sull'equazione di Dirac e l'equazione di Majorana dopo l'introduzione di Kitaev era stato svolto arrivando alla conclusione della ragione fisica per la quale i fermioni di Majarana dovevano apparire in quelle condizioni, cit: "A vortex configuration in the superconductor leads to a static, isolated zero energy solution. Its mode function is real and has been called Majorana". [2]
Nel 2014 il fermione di Majorana è stato osservato per la prima volta dagli scienziati dell'Università di Princeton. Per rilevare la quasiparticella, è stata impiegata una tecnica di spettroscopia ad alta risoluzione. Il fermione di Majorana è comparso all'interno di un superconduttore di piombo con una lunga catena di atomi di ferro. L'immagine del fermione è stata catturata all'estremità del filo di metallo come era stato previsto da Kitaev nel 2001.[3]
I risultati dell'osservazione sono stati pubblicati il 31 ottobre 2014 sulla rivista scientifica Science.[4].
i ricercatori di Princeton hanno preparato un cristallo di piombo purissimo su cui hanno opportunamente disposto delle “file” di singoli atomi di ferro; hanno portato tutto vicino allo zero assoluto (un grado sopra, per la precisione) in modo che le molecole non si agitassero troppo, e poi hanno osservato il tutto con un sofisticato microscopio a effetto tunnel. Il risultato è indiscutibile: le “file” di atomi di ferro si comportano come un fermione di Majorana. La prova è inequivocabile perché, oltre ad aver visto il segnale caratteristico del fermione di Majorana alle estremità delle file, l’esperimento ha evidenziato anche che in ogni altro punto il segnale è assente o quasi. Se così non fosse, si potrebbe imputare il segnale alle estremità a qualche altra causa. «Questo è il modo più diretto per osservare il fermione di Majorana per come ci si aspetta che emerga all’estremità di certi materiali», spiega Ali Yazdani, lo scienziato a capo dell’esperimento. Il fisico di Princeton ha sottolineato più volte in conferenza stampa il fatto che il fermione di Majorana non è stato scoperto in un acceleratore di particelle, come è avvenuto per esempio con il bosone di Higgs, ma osservando direttamente particolari materiali. La differenza è importante perché in un acceleratore di particelle è l’energia immessa a creare le particelle, mentre nel sistema realizzato da Yazdani e colleghi la nuova particella “spunta” dal modo in cui il materiale è organizzato. Il fermione di Majorana, per come lo hanno osservato i ricercatori americani, non è insomma una vera e propria particella da aggiungere a quelle che già conosciamo, ma più propriamente uno “stato quantistico composito” che sorge dall’interazione tra fermioni di Dirac ed emerge – questo il verbo usato da Yazdani – come comportamento globale del sistema.[5]
Kitaev scrisse: Alcuni sistemi di Fermi unidimensionali hanno un gap energetico nello spettro complessivo mentre gli stati al contorno sono descritti da un operatore di Majorana per punto al confine. Un sistema finito di lunghezza L possiede due stati fondamentali con una differenza di energia proporzionale a exp(-L/l0) e diverse parità fermioniche. Tali sistemi possono essere utilizzati come qubit poiché sono intrinsecamente immuni alla decoerenza. La proprietà di un sistema di avere fermioni di Majorana al confine è espressa come una condizione sullo spettro degli elettroni di massa. La condizione è soddisfatta in presenza di un piccolo gap energetico arbitrario indotto dalla vicinanza di un superconduttore tridimensionale a onda p, a condizione che lo spettro normale abbia un numero dispari di punti di Fermi in ciascuna metà della zona di Brillouin (ogni componente di spin conta separatamente).
Com'è evidente il fermione di Majorana tanto che in teoria che in sperimenazione è l'emersione di una proprietà quantistica di una specifica configurazione organizzata e non una nuova particella. Allo stato attuale delle conoscenze si può affermare che il fermione di Majorana è stato scoperto dai fisici della materia condensata e delle proprietà dei materiali.
Una prova della sua esistenza è stata annunciata dai ricercatori del Oak Ridge National Laboratory che lavorando in collaborazione con i colleghi del Max Planck Institute e dell'Università di Cambridge il 4 aprile 2016, in concomitanza della rilevazione per la prima volta dello stato di liquido di spin quantistico[6][7].
Note[modifica | modifica wikitesto]
- ^ A Kitaiev, Unpaired Majorana fermions in quantum wires, su iopscience.iop.org.
- ^ Majorana fermions in Superconductor (PDF), su pg.infn.it.
- ^ (EN) V. Mourik, et al, Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices (PDF), su kouwenhovenlab.tudelft.nl, Science, 12 aprile 2012 (archiviato dall'url originale il 28 aprile 2016).
- ^ (EN) Stevan Nadj-Perge, et al., Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor, su sciencemag.org, Science, 31 ottobre 2014.
- ^ scienzainrete.it, https://www.scienzainrete.it/contenuto/articolo/filippo-bonaventura/scoperti-fermioni-di-majorana-previsti-quasi-80-anni-fa/ottob.
- ^ Victoria Woollaston, Mysterious new state of matter discovered, su Daily Mail, 4 aprile 2016. URL consultato il 4 aprile 2016.
- ^ A. Banerjee, C. A. Bridges e J.-Q. Yan, Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet, in Nature Materials, 4 aprile 2016, DOI:10.1038/nmat4604. URL consultato il 4 aprile 2016.
Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]
- Ettore Majorana, Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone, Nuovo Cimento, vol.14, 1937, pp. 171–184.
Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]
Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]
- Rilevate tracce dei fermioni di Majorana, su lescienze.it.
