Da professorene Jon Magne Leinaas og Jan Myrheim var stipendiater p? Fysisk institutt ved UiO p? syttitallet, beregnet de teoretisk at det m?tte finnes noen helt spesielle element?rpartikler som ingen hadde tenkt p? og som oppf?rte seg annerledes enn alle andre partikler.
Etter at teorien deres ble publisert i 1977, r?det tausheten. Ingen refererte til artikkelen deres p? et par ?r. S? tok det sakte av. Meget sakte. F?rst p? midten av ?ttitallet vakte oppdagelsen deres st?rre interesse.
De siste tjue ?rene har en rekke fysikere pr?vd ? bevise eksistensen av disse spesielle partiklene. N? har forskere i to ulike og sinnrike eksperimenter, etter all sannsynlighet, klart ? bevise at partiklene ogs? finnes i virkeligheten. Det ?pner enorme muligheter for fremtidens kvantedatamaskiner.
Fysikk p? 1-2-3
For ? forst? den spennende oppdagelsen m? vi f?rst ta en tur innom noen sv?rt grunnleggende begreper i fysikkens verden:
Alle atomer er bygd opp av protoner og n?ytroner. B?de protoner og n?ytroner er bygd opp av kvarker. Sammen med elektroner er kvarkene grunnsteinene i materien v?r. Disse element?rpartiklene har en stor og viktig ting til felles: De er sv?rt asosiale. Akkurat som nordmenn flest liker de ? holde stor avstand til hverandre. Og her snakker vi om enorme avstander. Tenk p? noe s? lite som et hydrogenatom, universets letteste grunnstoff. Det har bare ett elektron. Hvis atomkjernen hadde v?rt p? st?rrelse med R?dhuset i Oslo, ville elektronet ha g?tt 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 element?rpartikler. Et par eksempler er fotoner (lyspartikler) og gravitoner (som riktignok enn? ikke er oppdaget, men som kan forklare tyngdekraften p? et grunnleggende niv?). Bosoner har den fantastiske evnen at de kan klumpe seg sammen.
Br?t vedtatt sannhet
Da Leinaas og Myrheim var stipendiater p? syttitallet, var den vedtatte sannheten at alle element?rpartikler 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 m?tte v?re en mellomting mellom fermioner og bosoner. Disse partiklene hadde med andre ord en blanding av ?sosiale? og ?usosiale? egenskaper.
Noen ?r 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 p? ?ttitallet, forteller Leinaas.
Kvantehall-effekten beskriver tilstanden for elektroner i todimensjonale systemer med sterke magnetfelt og sv?rt lave temperaturer.
I slike ekstreme systemer kan elektroner sl? 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 ? skj?nne dette kan du tenke deg virvler i en roterende v?ske. N?r det g?r fort nok, kan det oppst? hull i v?sken.
– Dette hullet kan opptre som én partikkel.
Det samme kan skje i superkalde, todimensjonale materialer med sterke magnetfelt.
– Da vil elektronene sirkulere. N?r du begynner ? t?mme dem, vil det oppst? ?hull?. Disse hullene vil opptre som kvasipartikler. Og det er disse kvasipartiklene som er definert som anyoner.
I 1984 kom de f?rste artiklene som viste at beskrivelsen av anyoner passet godt for ? forklare deler av denne effekten.
– Dette var viktig. Det ga en forst?else 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 oppst? i todimensjonale systemer. Anyoner kan med andre ord aldri opptre i et romlig, alts? 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 f?tt navnet fraksjonell statistikk, for ? definere egenskapene til anyoner.
Likevel er ingen fysikere forn?yd f?r teoriene deres er bekreftet eksperimentelt.
I 2005 mente professor Vladimir Goldman p? Stony Brook University i New York at han hadde funnet anyoner.
– Eksperimentet hans ble aldri fullt godkjent.
Eksperimentet kunne uheldigvis tolkes p? flere m?ter. Det kunne ikke skille mellom to effekter. Bare den ene effekten kunne v?re et bevis p? anyoner.
N? har andre forskere gjennomf?rt to nye eksperimenter. Materialvalget var slik at elektronene bare bevegde seg todimensjonalt. Temperaturen ble kj?lt ned til en titusendedels grad over universets absolutt nullpunkt (minus 273,15 grader), samtidig som det ble lagt p? et meget sterkt magnetfelt.
– Eksperimentene var meget krevende. Begge fikk mye omtale, og begge sier de har f?tt det til. Andre fysikere understreker at resultatene denne gang er mer p?litelige, s?rlig i det ene eksperimentet. For meg ser det overbevisende ut, men det er likevel vanskelig ? st? utenfor og si at alt er ok, medgir Leinaas.
– Hva skal til for at vi endelig kan sl? fast at anyonene er oppdaget?
– Det er egentlig n?r et flertall av forskere innen feltet kan si seg enige. Jeg sl?r 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 ?r fra Higgs-teorien ble lansert, til Higgs-partikkelen ble funnet. Professorene bak teorien fikk Nobelprisen i 2013.
– ?nsker du en nobelpris, m? 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 ? oppleve at den svenske nobelkomiteen ser p? arbeidet ditt som banebrytende, forklarte den muntre bibliotekaren Jens Vigen p? CERN da Apollon intervjuet ham om Higgs for et par ?r siden.
Partikkelfysiker og forskningsdirekt?r p? Cicero, Bj?rn Samset, skrev i sin tid i den popul?rvitenskapelige bloggen sin at den dagen anyonene er funnet eksperimentelt, stiller ?to nordmenn seg langt frem i k?en for ? f? en viss gjev fysikkpris i Stockholm?.
– Jeg bruker ikke mye tid til ? tenke p? det. Grunnen til at noen legger s? stor vekt p? dette, er at inndelingen av element?rpartikler i fermioner og bosoner har v?rt et av h?ydepunktene i kvantemekanikken. Det at man finner noe som verken er fermioner eller bosoner, har oppn?dd en viss status. Et n?yaktig og troverdig bevis p? at dette er en betydelig sak, men utover det g?r jeg ikke rundt og tenker p? det, sier Leinaas.
Kvantedatamaskiner
En av de spennende anvendelsene av anyoner er i fremtidens kvantedatamaskiner. Disse maskinene vil kunne l?se matematiske oppgaver sv?rt mye raskere enn hva som er mulig i dag. Her vil det v?re interessant ? bruke noe som kalles ?ikke-abelske? anyoner. Disse anyonene vil v?re stabile mot ytre forstyrrelser. Aberet er at det vil v?re vanskelig ? f? tilgang til informasjonen.
– Det er store utfordringer, men det er gjort mye arbeid for ? tenke seg hvordan dette lar seg gj?re, forteller Leinaas og legger til:
– Da vi lanserte ideen v?r p? syttitallet, hadde vi ikke noen revolusjon?re ideer om anyoner i kvantedatamaskiner. Vi s? ikke det for oss. Vi tenkte bare at det var verdt ? skrive om anyoner.