Minulý měsíc společnost Microsoft oznámila a Nový kvantový výpočetní čip Volala Majorana 1, že očekává, že „uvědomí si kvantové počítače schopné vyřešit smysluplné problémy s průmyslovým měřítkem v letech, nikoli desetiletí“. Nezávislí vědci brzy vyvolali pochybnosti o tomto tvrzení – velkolepé, jak je -, ale také uznal, že Microsoft přijal velkou výzvu k vybudování takového čipu a že jeho úsilí v tomto směru nemohlo nebo nemělo být psáno úplně.
Microsoft pojmenoval čip „Majorana 1“, protože se skládá z částic Majorana, což je zvláštní typ subatomické částice s neobvyklými vlastnostmi. Jedním z nich je, že částice Majorana je jeho vlastní anti-částice. Částice, které tvoří hmotu, nazývané fermiony, mají anti-party s odlišnou identitou. Například anti-částice elektronů je pozitron, ne další elektroron. Anti-částice protonů je anti-proton, ne další proton. Ale jedinečně mezi fermiony, anti-částice Majorana částice je další částice Majorana. Pokud se dva z nich setkají, budou se navzájem zničit zábleskem energie.
Jednou z hlavních otevřených otázek v současné fyzice je to, zda jsou neutrina částice Majorana.
Neutrina, neutrina všude
Neutrina jsou druhá nejoblíbenější subatomická částice ve vesmíru po fotonech částice světla. Během akce Big Bang byli vyrobeni v hojných množstvích. Vyrábí se v radioaktivním rozpadu, když explodují masivní hvězdy a když kosmické paprsky zasáhnou zemskou atmosféru. Jsou také vyrobeny během jaderné fúze: samotné Slunce je zodpovědné za zaplavení každého čtvercového centimetru na Zemi s 60 miliardami neutrin každou sekundu. Tyto částice jsou také mimořádně těžko chytit, protože s hmotou velmi slabě a velmi zřídka interagují.
Přesto je to klíčové fyziky studují: Neutrina mohou být klíčem k zodpovězení mnoha otevřených otázek o našem vesmíru. Jejich obrovská čísla jsou známkou toho, že se podílejí na mnoha, mnoha subatomických procesech. Jasný pohled na jejich vlastnosti tedy také poskytne fyzikům jasný pohled na tyto procesy a dosud nevyřešené otázky, na které mohou odpovědět.
Nevíme mnoho věcí o neutrinech. Snad největší neznámý je, kolik váží neutrino. Víme, že neutrina přicházejí ve třech příchutích nebo odrůdách a víme, že rozdíly mezi čtvercemi jejich mas, ale ne samotné jednotlivé masy. Pokud se zjistí, že neutrina jsou částice majorany, může být proces, který je odhalí, snadno odhalit také jejich masy. Tento proces se nazývá Neutrinoless Double Beta Decaynebo zkrátka 0vßß.
Chlazení s beta rozpadem
Každý atom má nějakou energii, kterou nese ve svých částicích a síly, které mezi nimi působí. Někdy může mít jádro atomu příliš mnoho energie, což je nestabilní a hledat příležitosti, jak zbavit přebytku. Tato představa o stabilitě vychází ze skutečnosti, že pro každou sadu protonů a neutronů v jádru existuje číslo, které umožňuje, aby se částice uspořádaly způsobem, který opouští jádro s holým minimem energie.
Například jádro atomu Actinium-227 obsahuje 89 protonů a 138 neutronů, což nutí jádro, aby existovalo ve vysoce nestabilní konfiguraci. Pro zbavení „nadměrné energie“ podstoupí proces nazývaný beta rozpad: vydává elektroron a anti-neutrino a mění se v jádru Thorium-227. TH-227 také není stabilní a dále se rozkládá, ale protože proces rozkladu beta uvolňuje energii, jádro je lepší než předtím.
V přírodě je beta rozpad běžným způsobem, jak se nestabilní jádro rozpadat. Může se to stát v jedné ze dvou forem v závislosti na tom, zda má jádro příliš mnoho neutronů nebo příliš mnoho protonů. V prvním případě je neutron přeměněn na proton a uvolňuje elektron a anti-neutrino. Ve druhém je proton přeměněn na neutron a uvolňuje pozitron a neutrino. Třetí forma existuje, kde se dva beta rozpadu vyskytují současně, tj. Dva neutrony jsou současně přeměněny na dva protony, které vyzařují dva elektrony a dva anti-neutriny.
Schopnost konverze pramení ze slabé interakce, která je jedním z čtyři způsoby ve kterých mohou subatomické částice vzájemně interagovat. (Ostatní jsou silné, elektromagnetické a gravitační interakce.) Slabá interakce je charakterizována výskytem částic zvaných W nebo Z bosony. Například během rozpadu beta AC-227 neutron vydává W– boson a promění se v proton a w– Boson se rozkládá na elektron a anti-neutrino.
Znamení rozdílu
Jak běžný je, jako je beta rozpad, vědci jsou v současné době na lovu extrémně vzácné varianty: 0vßß. Nemusí ani existovat, ale jen pro případ, že by to tak bylo, dokázalo by, že neutrina jsou částice majorana.
V 0vßß jádro emituje dva elektrony místo elektronu a anti-neutrina. K tomu může dojít pouze tehdy, když je neutrino emitované jedním neutronem absorbováno jako anti-neutrino druhým neutronem, což zase může dojít pouze tehdy, pokud jsou neutrina a anti-neutrina stejná věc. Každý z emitovaných elektronů má také více energie, protože „zahrnuje“ energii chybějícího anti-neutrina. Experimenty hledající důkazy o 0vß pak mohou tento energetický rozdíl použít k zjištění, zda jádro podstoupilo beta rozpad nebo 0vßß.
To je přesně to, co dělá Amore experiment v Jižní Koreji, s citlivými detektory částic směřovaných na krystal obsahující 3 kg jader molybdenum-100, chlazeného na frakce nad absolutní nulou. Je známo, že jádra MO-100 podléhá dvojité beta rozpadu.
Hledání pokračuje
V příspěvku zveřejněném v Fyzikální kontrolní dopisy 27. února tým Amore uvedl, že nepozoroval důkazy o 0vßß. Protože tento proces je již předpokládán jako vzácný, nezohledňující, že by to mohlo stejně snadno znamenat, že jsme nevypadali dostatečně dlouho. Proto tým v článku uvedl, že populace jádra MO-100 by se rozpadla na polovinu svého počtu přes 0vß v nejméně 1024 roky. Mohlo by to také znamenat, že 0vßß se může ukázat ve větším vzorku. V budoucí iteraci Amore to fyziky plánují hledat ve 100 kg MO-100.
Mezitím také odhadli, že hmotnost každého neutrina by musela být nižší než 0,22-0,65 miliardy protonu. Jedná se o extrémně nízkou hmotnostní strop, ale není to stejné jako říkat, že neutrina mají nulovou hmotu. Rozdíl je rozhodující. Současná teorie všech subatomických částic, nazývaná standardní model fyziky částic, říká, že neutrina by měla být bezmasná. Přítomnost i malého množství hmoty tak obtěžuje teorii a naznačuje, že má někde mezeru. Problém je v tom, že fyzici zatím nevědí, kde. Amore se tedy těší na jeho upgradovanou formu a vyhledávání pokračuje.
Publikováno – 18. března 2025 05:30
