Stipendiater så for seg spektakulære partikler 40 år før de ble funnet eksperimentelt

Dette er historien om to svært forutseende stipendiater. For førti år siden lanserte de teorien om noen besynderlige partikler. Nå er partiklene funnet eksperimentelt. Oppdagelsen kan berede grunnen for fremtidens kvantedatamaskiner.

HELT NY PARTIKKEL: Det var lenge en vedtatt sannhet at alle partiklene i universet kunne grupperes som bosoner (sosiale partikler) eller fermioner (usosiale partikler). På syttitallet lanserte de to daværende stipendiatene – og nåværende professorer – Jan Myrheim og Jon Magne Leinaas (bildet) at det også måtte finnes partikler som var en mellomting mellom bosoner og fermioner. Foto: Yngve Vogt

Da professorene Jon Magne Leinaas og Jan Myrheim var stipendiater på Fysisk institutt ved UiO på syttitallet, beregnet de teoretisk at det måtte finnes noen helt spesielle elementærpartikler som ingen hadde tenkt på og som oppførte seg annerledes enn alle andre partikler.

Etter at teorien deres ble publisert i 1977, rådet tausheten. Ingen refererte til artikkelen deres på et par år. Så tok det sakte av. Meget sakte. Først på midten av åttitallet vakte oppdagelsen deres større interesse.

De siste tjue årene har en rekke fysikere prøvd å bevise eksistensen av disse spesielle partiklene. Nå har forskere i to ulike og sinnrike eksperimenter, etter all sannsynlighet, klart å bevise at partiklene også finnes i virkeligheten. Det åpner enorme muligheter for fremtidens kvantedatamaskiner.

Fysikk på 1-2-3

For å forstå den spennende oppdagelsen må vi først ta en tur innom noen svært grunnleggende begreper i fysikkens verden:

Alle atomer er bygd opp av protoner og nøytroner. Både protoner og nøytroner er bygd opp av kvarker. Sammen med elektroner er kvarkene grunnsteinene i materien vår. Disse elementærpartiklene har en stor og viktig ting til felles: De er svært asosiale. Akkurat som nordmenn flest liker de å holde stor avstand til hverandre. Og her snakker vi om enorme avstander. Tenk på noe så lite som et hydrogenatom, universets letteste grunnstoff. Det har bare ett elektron. Hvis atomkjernen hadde vært på størrelse med Rådhuset i Oslo, ville elektronet ha gått i bane mellom Kirkenes og Roma.

Fellesbetegnelsen for alle de asosiale partiklene er fermioner, oppkalt etter Enrico Fermi som fikk nobelprisen i fysikk i 1938. Den store kontrasten til fermioner er bosoner, oppkalt etter den indiske fysikeren Satyenda Nath Bose. Bosoner er sosiale elementærpartikler. Et par eksempler er fotoner (lyspartikler) og gravitoner (som riktignok ennå ikke er oppdaget, men som kan forklare tyngdekraften på et grunnleggende nivå). Bosoner har den fantastiske evnen at de kan klumpe seg sammen.

Brøt vedtatt sannhet

KOMPANJONGEN: Sammen med Jon Magne Leinaas lanserte daværende stipendiat og nåværende NTNU-professor Jan Myrheim (bildet) teorien om anyoner. Foto: Julie Gloppe Solem/Gemini-NTNU

Da Leinaas og Myrheim var stipendiater på syttitallet, var den vedtatte sannheten at alle elementærpartikler i universet bare kunne deles inn i de to gruppene fermioner og bosoner. Intet annet. Leinaas og Myrheim var ikke enige i det. De beregnet seg frem til at det fantes partikler som måtte være en mellomting mellom fermioner og bosoner. Disse partiklene hadde med andre ord en blanding av «sosiale» og «usosiale» egenskaper.

Noen år etter ble en tilsvarende teori lansert av den amerikanske fysikeren Frank Wilczek, som fikk Nobelprisen i 2004. Han kalte de spesielle partiklene for anyoner.

– Den store interessen for anyoner blomstret opp da kvantehall-effekten ble oppdaget på åttitallet, forteller Leinaas.

Kvantehall-effekten beskriver tilstanden for elektroner i todimensjonale systemer med sterke magnetfelt og svært lave temperaturer.

I slike ekstreme systemer kan elektroner slå seg sammen og opptre kollektivt som én partikkel med en helt spesiell fysisk egenskap. Slike kollektiver kalles for kvasipartikler. Og det er nettopp det anyoner er.

For å skjønne dette kan du tenke deg virvler i en roterende væske. Når det går fort nok, kan det oppstå hull i væsken.

– Dette hullet kan opptre som én partikkel.

Det samme kan skje i superkalde, todimensjonale materialer med sterke magnetfelt.

– Da vil elektronene sirkulere. Når du begynner å tømme dem, vil det oppstå «hull». Disse hullene vil opptre som kvasipartikler. Og det er disse kvasipartiklene som er definert som anyoner.

I 1984 kom de første artiklene som viste at beskrivelsen av anyoner passet godt for å forklare deler av denne effekten.

– Dette var viktig. Det ga en forståelse for at anyoner kunne eksistere i den virkelige verden.

Todimensjonalt

Da Leinaas og Myrheim publiserte teorien sin i 1977, slo de fast at anyoner bare kan oppstå i todimensjonale systemer. Anyoner kan med andre ord aldri opptre i et romlig, altså et tredimensjonalt, system.

De to norske forskerne har brukt matematisk topologi (en egen gren i matematikken som brukes til romlige beregninger) og en helt spesiell type statistikk, som senere har fått navnet fraksjonell statistikk, for å definere egenskapene til anyoner.

Likevel er ingen fysikere fornøyd før teoriene deres er bekreftet eksperimentelt.

I 2005 mente professor Vladimir Goldman på Stony Brook University i New York at han hadde funnet anyoner.

– Eksperimentet hans ble aldri fullt godkjent.

Eksperimentet kunne uheldigvis tolkes på flere måter. Det kunne ikke skille mellom to effekter. Bare den ene effekten kunne være et bevis på anyoner.

Nå har andre forskere gjennomført to nye eksperimenter. Materialvalget var slik at elektronene bare bevegde seg todimensjonalt. Temperaturen ble kjølt ned til en titusendedels grad over universets absolutt nullpunkt (minus 273,15 grader), samtidig som det ble lagt på et meget sterkt magnetfelt.

– Eksperimentene var meget krevende. Begge fikk mye omtale, og begge sier de har fått det til. Andre fysikere understreker at resultatene denne gang er mer pålitelige, særlig i det ene eksperimentet. For meg ser det overbevisende ut, men det er likevel vanskelig å stå utenfor og si at alt er ok, medgir Leinaas.

– Hva skal til for at vi endelig kan slå fast at anyonene er oppdaget?

– Det er egentlig når et flertall av forskere innen feltet kan si seg enige. Jeg slår meg til ro med at resultatene er i tydelig overensstemmelse med det vi kan forvente.

Vitenskapsjournalist Davide Castelvecchi i Nature er mer bombastisk. Han mener dette var en ekstremt solid observasjon av anyoner.

Like spennende som Higgs

Den tyske fysikeren Bernd Rosenow sier i den samme Nature-artikkelen at oppdagelsen av anyoner er like fascinerende og spennende som Higgs-partikkelen. Akkurat som med letingen etter anyoner tok det 40 år fra Higgs-teorien ble lansert, til Higgs-partikkelen ble funnet. Professorene bak teorien fikk Nobelprisen i 2013.

– Ønsker du en nobelpris, må du ha en idé mens du er ung, ha sterk psyke i den perioden ingen leser hva du har gjort, og leve lenge nok til å oppleve at den svenske nobelkomiteen ser på arbeidet ditt som banebrytende, forklarte den muntre bibliotekaren Jens Vigen på CERN da Apollon intervjuet ham om Higgs for et par år siden.

Partikkelfysiker og forskningsdirektør på Cicero, Bjørn Samset, skrev i sin tid i den populærvitenskapelige bloggen sin at den dagen anyonene er funnet eksperimentelt, stiller «to nordmenn seg langt frem i køen for å få en viss gjev fysikkpris i Stockholm».

– Jeg bruker ikke mye tid til å tenke på det. Grunnen til at noen legger så stor vekt på dette, er at inndelingen av elementærpartikler i fermioner og bosoner har vært et av høydepunktene i kvantemekanikken. Det at man finner noe som verken er fermioner eller bosoner, har oppnådd en viss status. Et nøyaktig og troverdig bevis på at dette er en betydelig sak, men utover det går jeg ikke rundt og tenker på det, sier Leinaas.

Kvantedatamaskiner

En av de spennende anvendelsene av anyoner er i fremtidens kvantedatamaskiner. Disse maskinene vil kunne løse matematiske oppgaver svært mye raskere enn hva som er mulig i dag. Her vil det være interessant å bruke noe som kalles «ikke-abelske» anyoner. Disse anyonene vil være stabile mot ytre forstyrrelser. Aberet er at det vil være vanskelig å få tilgang til informasjonen.

– Det er store utfordringer, men det er gjort mye arbeid for å tenke seg hvordan dette lar seg gjøre, forteller Leinaas og legger til:

– Da vi lanserte ideen vår på syttitallet, hadde vi ikke noen revolusjonære ideer om anyoner i kvantedatamaskiner. Vi så ikke det for oss. Vi tenkte bare at det var verdt å skrive om anyoner.

Av Yngve Vogt
Publisert 2. sep. 2021 07:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere