Най-малката частица, позната на съвременната наука, е фотонът - тази невероятно малка частица изгражда светлината. В наскоро публикувано изследване физици успяха да докажат, че този квант светлина може да бъде разделен.

Преди близо век италианският физик Еторе Майорана предлага хипотезата, че електронът може да бъде разделен, и по този начин полага основите за новото откритие. По негово време това изглежда невероятно, но за съвременната физика е съвсем нормално. Сега изследователи от Политехническия институт SUNY и Колежа в Дартмут прогнозират, че може да съществуват и разделени фотони. 

^{Ако една частица е едновременно и собствената си античастица, тоест ако вариантът на антиматерията при нея е идентичен с варианта на материята, такива частици се наричат майорана. (вж "Мамо, от къде идва масата на майорана неутриното?")}

Констатацията, че градивните елементи на светлината могат да съществуват в невъобразима преди това разделена форма, надгражда фундаменталното разбиране за светлината и как тя се държи.

Теоретичното им откритие на разделен фотон – известен като „бозон на Майорана“ – е публикувано в Physical Review Letters.

„Това е голяма промяна в парадигмата на разбирането ни на светлината по начин, който не се смяташе за възможен“, коментира Лоренца Виола (Lorenza Viola), професор по физика в Дартмут и водещ автор в изследването. „Не само че открихме нов физически обект, но и такъв, какъвто никой не вярваше, че може да съществува".

Подобно на това как течната вода може да се превърне в лед или пара при специфични условия, изследването показва, че светлината може да съществува и в различна фаза - тази, при която фотоните се появяват като две отделни половини.

„Водата е вода, независимо от нейната течна или твърда форма. Просто се държи различно в зависимост от физическите условия”, обяснява Виола. „Ето как трябва да подходим към нашето разбиране за светлината – подобно на материята, тя може да съществува в различни фази".

Това не са физически разкъсани парчета, всъщност фотонните половинки са подобни на различните страни на монета. Двете отделни части съставляват едно цяло, но те могат да бъдат описани и функционират като отделни единици.

„Всеки фотон може да се разглежда като сбор от две отделни половини“, пояснява Винсент Флин (Vincent Flynn), докторант в Дартмут и водещ автор на статията. "Успяхме да идентифицираме условията за изолиране на тези половини една от друга."

Звучи много неясно, но изследването не се отклонява от основите на физиката.

Има два различни вида частици: фермиони и бозони. Фермионите, например електроните, не обичат компания, те се избягват един друг на всяка цена. Бозоните, например фотоните, са склонни да се събират заедно. Следователно за изследователите бе естествено да приемат, че разделянето на бозоните ще бъде непреодолима задача.

Новата теорият разчита на изтичане на енергия, разсейващи се кухини, които са свързани заедно и пълни с квантови пакети светлина. Изследването прогнозира, че половинките на частиците се появяват по краищата на такава синтетична платформа - това е бозонът на Майорана.

„Нашето откритие дава първия намек, че може да съществува неизвестна по-рано топологична фаза на светлината и материята, която е мястото на бозони на Майорана“, обяснява Флин.

Теоретичното откритие се основава на прогнозата от 1937 г. за съществуването на неутрални, подобни на електрони частици, известни като майорански фермиони. През 2001 г. изследователи предлагат специфичен процес за това как количеството електрони всъщност могат да бъде намалено наполовина в определени свръхпроводници. Но фотонът оставаше неделим досега.

Според изследователския екип бозоните на Майорана могат да се разглеждат като далечни роднини на фермионите на Майорана.

„Фермионите и бозоните са толкова различни, колкото е възможно за две неща във физиката“, коментира Емилио Кобанера (Emilio Cobanera), асистент по физика в Политехническия институт SUNY и съавтор на изследването. „На практика частиците са изкривени изображения едно на друго. Съществуването на фермионите на Майорана бе нашата основна улика, че бозонът на Майорана се крие някъде в къщата с кривите огледала".

Потвърждението на бозона на Майорана все пак ще изисква лабораторен експеримент, в който да се наблюдават половинките на фотоните. За разлика от масивните структури, построени за откриване на известния Хигс бозон, експеримент за откриване на фотонни половини може да се направи "на маса". Такъв експеримент може да използва съществуващи или близкосрочни технологии.

Екипът установи, че бозоните на Майорана са устойчиви на експериментални несъвършенства и могат да бъдат идентифицирани чрез различни подписи. Въпреки че е трудно да се предвиди как могат да бъдат приложени резултатите, тези характеристики биха могли да подкрепят разработването на нови видове квантови информационни процесори, оптични сензори и усилватели на светлина. Изследването също така сочи пътя към откритието на нова, екзотична фаза на материята и светлината.

„За да направим това откритие, трябваше да оспорим дългогодишните убеждения и наистина да мислим извън ралките“, коментира Виола. „Разделихме нещо, което преди се смяташе за неразделно, и никога няма да гледаме на светлината по същия начин.“

Справка: “Topology by Dissipation: Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics” by Vincent P. Flynn, Emilio Cobanera and Lorenza Viola, 10 December 2021, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.245701

Източник: “Split” Photons – New Research Predicts the Existence of a Previously-Unimaginable Particle, Dartmouth College

Още по темата

31/07/2019

Физика

Една неуловима частица, която действа като собствена си античастица, бе демонстрирана пряко

17/07/2019

Физика

Могат ли загадките на ядрото на атома да разклатят Стандартния модел? Отговаря проф. Пиетрала

11/04/2018

Физика

Странното неутрино все още не може да обясни загадката на материята

21/07/2017

Физика

Доказаха наличието на частица, което е своя собствена античастица