Exotische Rockstars im Teilchenzoo: Majoranas Forscher entdecken vermeintlich neue Teilchenart im Standardmodell

Die Teilchenphysik hat bislang 17 Grundzutaten unseres Universums identifiziert, dazu gehören Elektronen, Photonen sowie das zuletzt nachgewiesene Higgs-Boson. Dieser Teilchenzoo könnte aber noch wachsen, etwa durch so genannte Majoranas. Auf der Suche nach diesen theoretischen Teilchen haben Forscher nun einen Nachahmer entdeckt, der nur vermeintlich der gesuchte Rockstar ist.

Stellen wir uns folgende Szene im Kopf eines Teilchenphysikers vor: Eine Gruppe von Teilchen betritt eine Bar. Eines der Partikel rockt wie das schwer fassbare Majorana-Teilchen. Alle sind begeistert. Die Tür wird geöffnet und alle verlassen den Raum, auch der vermeintliche Rockstar – die Party rockt nicht mehr. Haben wir tatsächlich ein Majorana-Teilchen beobachtet? „Nicht wirklich“, meint ein internationales Forschungsteam.

Bevor wir auf das oben geschilderte Rockstar-Experiment eingehen, sei kurz erklärt, was Majoranas eigentlich sind – oder eben nicht. Denn es handelt sich dabei um eine theoretische Teilchenart, die den Fundus im Standardmodell der Physik erweitern könnte. Bislang ist sie aber eben nur genau das: eine Theorie.

Auf der Suche nach den Majorana-Teilchen hat nun ein Team, bestehend aus Forschern des Institute of Science and Technology Austria (ISTA), des Materials Science Institute in Madrid (Spanish Research Council CSIC) und des Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology, die Existenz sehr überzeugender Majorana-Imitatoren nachgewiesen. Auch wenn es sich nicht um das eigentlich gewünschte Teilchen handelt, helfen die neuen Ergebnisse dabei, die Suche in zukünftigen Experimenten zu optimieren.

Wie weit lässt sich Materie aufteilen? Auf dem Youtube Kanal „Nobel Prize“ gibt David Gross, Physik-Nobelpreisträger 2004, einen Einblick in das Standardmodell der Physik und erläutert die Frage, ob sich Leptonen und Quarks nicht doch noch weiter zerlegen lassen:

Die Unentdeckten

Die bekanntesten Vertreter im Teilchenzoo sind das Elektron und das Photon, welche zwei großen Familien zugeordnet werden: den Fermionen und den Bosonen. Zu diesen beiden Gruppen gehören alle anderen Teilchen in der Natur. Nun, fast alle. Eine weitere mögliche Teilchen-Kategorie sind die so genannten Anyonen (nicht zu verwechseln mit den negativ geladenen Anionen aus Salzen).

Es wird vermutet, dass Anyonen in Materialien, welche klein genug sind, um die elektronische Wellenfunktion einzudämmen, aus dem kollektiven Tanz vieler wechselwirkender Elektronen entstehen. Ein Beispiel dafür sind die so genannten Majorana-Nullmoden. Sie wurden 1937 von Ettore Majorana erstmals vorgeschlagen und sind im Gegensatz zu Fermionen und Bosonen nicht einmal Teilchen, sondern zum Beispiel Anregungen, die durch ein Teilchenkollektiv wie den oben erwähnten Elektronentanz entstehen könnten. Es handelt sich um Quasi-Teilchen.

Der Teilchenzoo im Überblick

Exotisches Teilchen auf der Fahndungsliste

Majoranas, wie diese hypothetischen Anyonen liebevoll genannt werden, werden zahlreiche exotische Eigenschaften prognostiziert: Sie sind ident mit ihren Antiteilchen, können sich selbst zerstören und haben die Fähigkeit, Quanteninformation zu verbergen, indem sie nicht lokal im Raum kodiert wird. Die Wissenschaftler sind sich einig, dass gerade letzteres robuste Quantencomputer ermöglichen könnte.

Antiprotonen in Superflüssigkeit

Materie und Antimaterie – vereint zu einem Hybrid-Molekül

Seit 2010 suchen zahlreiche Forschungsgruppen nach Majoranas. Im Gegensatz zu Elektronen oder Photonen, die im Vakuum existieren, müssen Majorana-Anyonen in hybriden Materialien erzeugt werden. Eine der vielversprechendsten Plattformen dafür basiert auf hybriden Supraleiter-Halbleiter-Nanobauteilen. In den vergangenen zehn Jahren wurden diese Instrumente bis ins kleinste Detail untersucht in der Hoffnung, die Existenz von Majoranas eindeutig nachweisen zu können. Das Problem jedoch ist: Majoranas sind komplizierte Einheiten. Sie werden leicht übersehen oder mit anderen Quantenzuständen verwechselt.

In ihrer aktuellen Publikation gehen die Wissenschaftler den Geheimnissen der Majorana-Physik auf den Grund. Zum ersten Mal wurden zwei etablierte Techniken gleichzeitig angewendet und erlaubten sozusagen zwei Blickwinkel im selben Experiment. Dabei fiel auf, dass jene Zustände, die mit der ersten Technik (Coulomb Spektroskopie) beobachtet wurden und stark auf Majoranas hindeuten, aus der Perspektive der zweiten Methode (Tunnel-Spektroskopie) nicht sichtbar waren.

Der Majorana-Rockstar, der keiner ist

Die Beobachtungen der Forscher lassen sich mit dem folgenden metaphorischen Szenario beschrieben:

Auf der Suche nach dem sagenumwobenen Majorana-Rockstar spähen Sie durch eine Tür („Source“) in eine Bar. Es scheint ein Konzert stattzufinden. Ein als Majorana gekleideter Rockstar steht auf der Bühne und singt Majorana-Lieder (s. Grafik, linke Seite). Als Sie jedoch die große Tür („Drain Door“) am anderen Ende der Bar öffnen, verlassen alle Fans eilig das Lokal – unter ihnen auch der vermeintliche Rockstar. Ein echtes Majorana würde so etwas allerdings nie tun.

Genau dies mache Majoranas so besonders, sagen die Forscher in Bezug auf die beschriebene Metapher. Denn ähnlich wie wahre Rockstars, die die Bühne nicht einfach verlassen, wenn ein Ausgang zur Verfügung steht, bliebe auch das Majorana-Anyon, selbst wenn normale Elektronen durch die gegenüberliegende Seite entkommen können. Den Wissenschaftlern zufolge wäre das Majorana aufgrund eines tiefgreifenden mathematischen Prinzips, dem so genannten topologischen Schutz, an eine Seite des Nanobauteils im Experiment gefesselt.

Neutrino-Detektor in Grönland

Den Geisterteilchen im Radio lauschen

„Wir wollten feststellen, ob es Majoranas gibt oder nicht. Bei unserem Versuchsaufbau sind die Türen Tunnelbarrieren, durch die Elektronen hinein- und hinausgeschickt werden. Es sind eine Abfluss- sowie eine Quellentür vorhanden“, beschreiben die Forscher ihr Experiment. „Betrachtet man die Teilchen mithilfe beider Spektroskopiemethoden gleichzeitig, entpuppt sich unser Majorana-Rockstar-Imitator als eine andere Art von Quasiteilchen. Es handelt sich zwar nicht um Majoranas, aber es sind durchaus interessante Supraleiter-Quasiteilchen.“

Die Suche geht weiter

Die Erkenntnisse unterstreichen die Tatsache, dass „falsche“ Majoranas überall zu finden sind. Sie können in vielen verschiedenen Systemen vorkommen und unterschiedliche Messverfahren verfälschen. Durch die Kombination von zwei Messstrategien, die auf dasselbe Gerät angewendet wurden, konnte der „Betrüger“ durch ein scheinbares Paradoxon entlarvt werden – ein Ansatz, der die Interpretationsunsicherheiten bei künftigen Experimenten drastisch verringern könnte. Mit ihrer Arbeit leisten die Forscher einen Beitrag, um die schwer fassbaren Majorana-Teilchen vielleicht eines Tages einzufangen und ihre Eigenschaften nutzbar zu machen. (clu)

Originalpublikation: M.Valentini, M. Borovkov, E. Prada, S. Martí-Sánchez, M. Botifoll, A. Hofmann, J. Arbiol, R. Aguado, P. San-Jose, G. Katsaros: Majorana-like Coulomb spectroscopy in the absence of zero-bias peaks, Nature, 612, pages 442–447 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-05382-w

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