Standardní model elementárních částic zahrnuje dva typy fermionů – kvarky a leptony, pro které je charakteristický poločíselný spin. Z pohledu matematiky mohou být fermiony trojího typu – Diracovy, tedy fermiony s hmotností, Majoranovy, čili fermiony, které jsou svojí vlastní antičásticí, a pak také Weylovy fermiony, které mají nulovou hmotnost.
Weylovy fermiony předpověděl už v roce 1929 matematik a fyzik Hermann Weyl. Od té doby po nich vědci pátrali, až do teď neúspěšně. Považovali Weylovy fermiony za možné stavební kameny jiných subatomárních částic, základnější než elektrony, které jsou dnes klíčovou částicí elektroniky. Weylovy fermiony mají narozdíl od elektronů nulovou hmotnost a také jsou vysoce pohyblivé.
Byl to dlouhý lov, nakonec ale skončil úspěchem. Mezinárodní tým, který vedl Zahid Hasan z Princetonu, po 85 letech prohlásil, že je hotovo. Podle spokojeného Hasana jsou Weylovy fermiony dost podivné, a ještě navíc se od objevu těchto částic může odvíjet tolik věcí, že si to teď prý neumíme ani představit. Právě v tom se objev Weylových fermionů odlišuje od objevů přízračných částic na LHC a podobných strojích v oparu šílených srážek částic.
Weylovy fermiony byly objeveny uvnitř umělého kovového krystalu z arsenidu tantalu a jak se zdá, mohly by se stát požehnáním pro vývoj nové elektroniky, či spíše fermioniky, včetně kvantových počítačů.
Pro fyziky je nanejvýš vzrušující, že když jsou Weylovy fermiony v krystalu, tak se chovají jako kdyby byly složené z monopólu a antimonopólu, což přispívá k jejich pohyblivosti. Také se ukázalo, že z Weylových fermionů lze vytvořit elektrony s nulovou hmotností, které jsou velmi pohyblivé a nezdržuje je přitom žádný zpětný rozptyl (backscattering). V dnešní elektronice přitom kvůli zpětnému rozptylu vzniká teplo a snižuje se její účinnost.
Jak k objevu došlo? Hasan a spol. nejprve v Nature Communications publikovali teoretickou studii, která připouštěla existenci Weylových fermionů v krystalech arsenidu tantalu. Pak se do toho pořádně obuli, simulovali různé krystaly na počítači a pak vytvořili asymetrické krystaly arsenidu tantalu, které měly odlišný tvar ze svrchní a ze spodní strany. Tyto krystaly vložili do rastrovacího tunelového spektromikroskopu, kde byly zchlazeny na teplotu blízkou absolutní nule. Díky tomuto zařízení si ověřili, jestli jejich krystaly splňují podmínky pro tom aby mohly hostit předpovězené Weylovy fermiony.
Když krystaly arsenidu tantalu prošly testy na rastrovacím tunelovém spektromikroskopu, tak je vzali do kalifornské Lawrence Berkeley National Laboratory, kde do nich pomocí místního urychlovače částic stříleli vysokoenergetické paprsky fotonů. Když paprsky prolétly skrz krystaly, tak jejich tvar, velikost a směr ukazovaly na přítomnost dlouho nepolapitelných Weylových fermionů. Odborníci jásají, že objev Weylových fermionů, který publikoval časopis Science, je výsledkem unikátním v těsném propojení důmyslné teorie a náruživého experimentování.
Bulk Topological Insulators and Superconductors:
Discovery and the Frontier.
Literatura
Princeton University 16. 7. 2015, Science online 16. 7. 2015, Wikipedia (Fermion).
Trojrozměrný protějšek grafenu novou formou hmoty
Autor: Stanislav Mihulka (17.01.2014)
Přelomové pozorování magnetických monopólů ve kvantovém oblaku
Autor: Stanislav Mihulka (30.01.2014)
Kvantově mechanické monopóly poprvé pozorovány v kvantovém poli
Autor: Stanislav Mihulka (04.05.2015)
Diskuze:
oprava - dvojitý beta rozpad = Majorano
Pavel Brož,2015-07-18 21:46:52
Musím se opravit ohledně toho dvojitého beta rozpadu - ten je spojen s Majoranovskými, nikoliv Weylovými neutriny, splynulo mi to protože oba typy, Weylovské i Majoranovské, mají pouze dvě komponenty, zatímco Diracovské čtyři. Nicméně nadále platí, že onen v článku popisovaný objev se týká kvazičástic, nikoliv elementárních částic, nemá nic společného se Standardním modelem.
jedná se o kvazičástice, ne částice
Pavel Brož,2015-07-18 21:01:55
V článku chybí zmínka, že se jedná pouze o kvazičástice. Kvazičástic je známo docela dost druhů, a pokus vezmeme v potaz i to, že v různých prostředích mívají různé charakteristiky, např. efektivní "klidovou" hmotnost (správněji bychom měli hovořit o průběhu disperzní relace mezi energií a hybností), tak svým způsobem je kvazičástic nekonečně mnoho. Čas od času je objevena nová, to je zrovna tento případ. Nemá to žádný vztah ke Standardnímu modelu, ten je nadále platný, a v článku zmíněným experimentem nebyl ani modifikován ani rozšířen, Standardní model se totiž týká pouze elementárních částic, kvazičástice se jím neřídí.
Weylovy fermiony coby elementární částice nebyly dosud objeveny, ačkoliv se na ně pečlivě už celá desetiletí líčí v mnoha rafinovaných experimentech. Tak např. se dlouho uvažovalo, jestli neutrina by nemohla být Weylovými fermiony. V takovém případě by neutrina byla sama sobě antičásticí, podobně jako je sám sobě antičásticí foton nebo intermediální mezon Z. Toto bylo ale vyloučeno ve speciálně připravených experimentech, ve kterých generovaná neutrina interagovala, ale generovaná antineutrina nikoliv, ačkoliv interagovala v jiných reakcích. Proto neutrina a antineutrina jsou různé částice. Přesto všechno nadále probíhají dlouhodobé experimenty na odhalení případných Weylových neutrin, která by se projevovala např. ve dvojném beta rozpadu. Výsledky těchto experimentů jsou dodnes negativní, tj. žádný výsledek neukazuje na to, že by byť část neutrin byla Weylovských.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
