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TEILCHENPHYSIK
Experimente mit unmöglichen Teilchen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Jena
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27. Mai 2015

Im Teilchenzoo der Physiker existieren auch Partikel, die es eigentlich gar nicht geben kann. Zu diesen zählt das Majorana-Teilchen, das gleichzeitig sein eigenes Antiteilchen ist. Physikalische Experimente sind unter diesen Bedingungen kaum vorstellbar. Jetzt fanden Forscher aber eine Möglichkeit, Versuche mit solchen unmöglichen Teilchen zu simulieren.

Majorana

Der italienische Physiker Ettore Majorana ist Namensgeber eines mysteriösen Partikels. Bild: Wikipedia

Im März 1938 bestieg der italienische Teilchenphysiker Ettore Majorana in Neapel ein Postschiff nach Palermo. Doch dort kam er entweder nicht an oder verließ die Stadt sofort wieder - seit jenem Tag fehlt nämlich von dem Ausnahmewissenschaftler jede Spur und bis heute ist sein rätselhaftes Verschwinden nicht aufgeklärt. Majorana, Schüler des Physik-Nobelpreisträgers Enrico Fermi, ist darüber weitgehend in Vergessenheit geraten.

Geblieben sind der Fachwelt eine von ihm entwickelte Theorie über Kernkräfte und ein ganz besonderes Elementarteilchen. "Dieses nach Majorana benannte Teilchen, das sogenannte Majoranon, besitzt ganz erstaunliche Eigenschaften", erläutert Juniorprofessor Dr. Alexander Szameit von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. "Eigenschaften, die es in unserer Welt gar nicht geben kann."

So sollen Majorana-Teilchen gleichzeitig ihre eigenen Antiteilchen sein: Sie vereinen in sich völlig entgegengesetzte Eigenschaften wie gegensätzliche Ladungen und Eigendrehimpulse und würden sich selbst - wären sie tatsächlich existent - sofort auslöschen. "Sie sind deshalb rein theoretischer Natur und lassen sich nicht in Experimenten messen."

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Szameit und seinem Team ist es gemeinsam mit internationalen Fachkollegen jetzt dennoch gelungen, das Unmögliche möglich zu machen: Die Wissenschaftler haben eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der sich geladene Majorana-Teilchen simulieren und diese damit physikalischen Experimenten zugänglich machen lassen. Dafür nutzen die Wissenschaftler aus Jena, Singapur und Innsbruck ein System aus optischen Wellenleitern, die in einen Glas-Chip graviert sind.

"Wir schicken zeitgleich zwei Lichtstrahlen durch parallel verlaufende Wellenleiter, die die gegensätzlichen Eigenschaften separat aufweisen", erläutert Dr. Robert Keil aus Szameits Team. An einem von den Experimentatoren festgelegten Punkt überlagern sich die beiden Wellen und vereinen sich für einen kurzen Moment zu einem optischen Majoranon, das als Lichtverteilung gemessen werden kann.

Auf diese Weise erstellen die Forscher ein Abbild, das wie eine Fotografie eine Momentaufnahme zeigt, in diesem Fall den Zustand eines Majoranons zu einem definierten Zeitpunkt. "Durch die Abfolge vieler solcher Einzelaufnahmen, lassen sich Teilchen wie in einem Film beobachten und ihr Verhalten untersuchen", so Keil.

Dieses Modell erlaubt es den Jenaer Wissenschaftlern, ein völlig neues Forschungsgebiet zu betreten, wie Szameit erklärt. "Uns ist es jetzt möglich, Zugriff auf Phänomene zu erhalten, die bisher nur in exotischen Theorien beschrieben werden konnten." So würden sich mit diesem System Experimente simulieren lassen, in denen die Ladungserhaltung - ein Grundpfeiler der modernen Physik - ganz einfach außer Kraft gesetzt werden kann.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass man nicht-physikalische Vorgänge im Labor simulieren und so die exotischen Eigenschaften von theoretisch möglichen Teilchen auch praktisch nutzen kann", so der Wissenschaftler. Ein mögliches Anwendungsgebiet dieser simulierten Majoranons sieht Szameit in einer neuen Generation von Quantencomputern. "Damit wären deutlich höhere Rechenkapazitäten zu erreichen, als bislang möglich."

Über die Studie berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Optica erschienen ist.

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siehe auch
Neutrinos: Bislang kein Hinweis auf Majorana-Natur - 12. Juni 2014
Neutrinos: Bislang kein Hinweis auf Majorana-Eigenschaft - 17. Juli 2013
Elementarteilchenphysik: Der Natur des Neutrinos auf der Spur - 20. Februar 2012
Elementarteilchenphysik: Das Antiteilchen des Neutrinos - 8. Februar 2011
Links im WWW
Fachartikel in Optica
Universität Jena
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