Weylov fermión objavený

Weylov fermión v krýštali arzenidu tantalu (osel.cz)

Po senzačných správach pri odhalení povrchu Pluta a jeho záhad ani časticová fyzika nespí na vavrínoch. Práve naopak, pred pár týždňami bola objavená hypotetická častica pentakvark na LHC (Large Hadron Collider). Najnovšie sa podarilo husársky kúsok v USA, presnejšie na Princetonskej univerzite – objav Weylovych fermiónov.

Štandardný model elementárnych častíc sa skladá z takzvaných fermiónov a bozónov. Bozóny si ctia pravidla Boseho-Einsteinovho rozdelenia častíc s celočíselným spinom. Do tejto kategórie patrí fotóny (zprostredkujú elektromagnetickou interakcii), Z a W bozóny (slabú jadrovú interakcii), gluóny (silnú jadrovú interakcii) či nedávno objavené Higgsove bozóny (má vplyv na hmotnosť častíc).

Nás ale pre tentoraz nezaujímajú bozóny, ale fermióny. Fermióny sa riadia Fermiho-Diracovho rozdelením, platiace pre všetky častice s polovičným spinom 1/2.

Na rozdiel od bozónov sa fermióny vyznačujú riadením sa Pauliho vylučovacím princípom. Ak dve rovnaké častice sa stretnú blízko seba, tak sa odpudzujú. Jedine, čo proti tomuto princípu funguje, sú silná jadrová interakcia, kvantovo-pravdepodobnostné správanie sa napr. elektrónov či kvantovo-tunelovací jav napr. pri protónoch vodíka, ktorí sa zrážajú v jadre hviezd za vzniku hélia a obrovského množstva energie.

Štandardný model elementarných častíc fermióny delí na Diracove, Majoranove a Weylove fermióny.

• Diracove fermióny sú také fermióny, ktoré majú hmotnosť, čiže tie, ktoré pozorujeme okolo seba. I naše telo je z nich zložené. Zaraďujeme tam oblasť kvarkov a oblasť leptónov.
• Majoránove fermióny sú častice, ktoré sú sami sebe antičasticou, tak ako je to u bozónov. Zatiaľ neexistuje žiadna potvrdená častica v prírode, ktorá je majoránským fermiónom. Sú ale náznaky, že neutríno z oblasti leptónov môže byť majoránským fermiónom. Pre dokázanie tejto hypotézy práve prebiehajú v urýchľovačov častíc pokusy o rozpad neutrín. Ak sa neutrína rozpadnú na dvojitý bezneutrinový beta rozpad, je to znamením, že patrí do majoranskej skupiny fermiónov.

Herman Weyl, matematik, objaviteľ Weylových fermiónov (osel.cz)

• Tretím typom fermiónov sú Weylove fermióny. Ich charakteristikou je, že nemajú žiadnu hmotnosť a môžu sa pohybovať rýchlosťou svetla.
  A práve Weylove fermióny boli objavené tímom vedcov z Princetonskej univerzite.

Objav na Nobelovu cenu

Matematický základ Weylových fermiónov položil v roku 1929 nemecký brilantný matematik Herman Weyl, po ktorom sú tieto fermióny pomenované. Od tej doby až doteraz sa po signálov existencie týchto častíc vedci márne hľadali. Teória o týchto fermiónov zmieňuje, že to sú možné stavebné kamene iných subatomárnych častíc.

Weylove fermióny boli objavené vo vnútri umelého kryštálu z arzenidu tantalu. Chovanie týchto častíc kryštálu vyzerá, ako keby boli zložené z monopolu a antimonopolu. Ukázalo sa, že pomocou Weylových fermiónov vieme získať elektróny bez hmotnosti, ktoré nezadržuje ich žiadny spätný rozptyl. Práve spätný rozptyl ma za následok vylučovanie tepla v elektronike a klesá tak účinnosť našich prístrojov.

Cesta za úspechom

Objaviteľ Weylových fermiónov Zahid Hasan (princeton.edu)

Ako objavili vedci Weylov fermión? Zahid Hasan a jeho tím z Princetonskej univerzite najprv publikovali teoretickú štúdiu v Nature Communications, ktorá hovorila o pravdepodobnej existencii Weylových fermiónov v krýštale arzenidu tantalu. Potom začali simulovať na počítači možný kryštál arzenidu tantalu pre vznik týchto častíc. Ako najvhodnejšie im prišli asymetrické kryštály arzenidu tantalu. Asymetrické preto, lebo ich spodná a vrchná časť sa tvarom nezhodovali. Tieto krýštali umelo vytvorili a vložili ich do rastrovacieho tunelového spektromikroskopu, podchladené na hodnotu blízkú absolútnej nule. Po všetkých testoch na spektromikroskopu zaniesli krýštaly do kalifornskej Lawrence Berkeley National Laboratory. Laboratórium vlastní urýchľovač častíc a kryštály ostreľovali vysokoenergetickými paprskami fotónov, aby zistili, či sa tam nachádzajú tie častice, ktoré hľadajú. Výstup po preletení vysokoenergetických častíc jasne ukazoval len na jednú jedinú odpoveď, že existujú.

Zdroje:
Tajuplné Weylovy ferminony s nulovou hmotností objeveny po 85 letech  (osel.cz)
Fermion (wikipedia.org)
Topological Nodal-line Fermions (princeton.edu)