Perché Majorana aveva ragione

A ottant’anni esatti dalla misteriosa scomparsa del geniale fisico Ettore Majorana di cui si sono perse le tracce il 25 marzo 1938 durante il viaggio sul traghetto postale Napoli-Palermo, un gruppo di scienziati olandesi (QuTech, Microsoft, Eindhoven University of Technology) e statunitensi (JQI Maryland, UC Santa Barbara) ha annunciato su Nature la scoperta delle particelle da lui ipotizzate. Si apre così una strada molto promettente per la realizzazione di super computer quantistici con capacità d’immagazzinamento ed elaborazione dei dati fino ad oggi inimmaginabili.

Le particelle di Majorana

Nella meccanica quantistica relativistica che dobbiamo a Paul A. M. Dirac, a ogni particella fondamentale corrisponde un’antiparticella con la stessa massa, spin e vita media, avente carica elettrica o altri numeri quantici quali la carica barionica o leptonica, uguali in valore ma di segno opposto. A pochi anni dalla pubblicazione nel 1928 della famosa equazione di Dirac, nel 1932 fu scoperto il positrone, antiparticella dell’elettrone. In natura non si trovano stabilmente antiparticelle, ma esse sono comunemente prodotte nelle interazioni dei raggi cosmici che attraversano costantemente l’atmosfera o negli acceleratori di particelle.

Nel 1937 Majorana, uno dei ragazzi di via Panisperna, soprannominato nel gruppo “l’Inquisitore”, formulò l’ipotesi che nella classe di particelle dette fermioni, quali l’elettrone, il neutrino o i quark, potessero esistere delle particelle che sono al contempo anche le loro anti particelle. La predizione di Majorana è valida solo se la carica elettrica è nulla come per il neutrone o il neutrino. Tuttavia l’antineutrone è stato già da tempo chiaramente identificato come distinto dal neutrone, viceversa ci sono ottime ragioni teoriche per pensare che il neutrino sia una particella di Majorana. Nei laboratori sotterranei come quello del Gran Sasso dell’INFN, esperimenti che usano sostanze e tecniche differenti stanno dando la caccia a un decadimento nucleare finora mai osservato, il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, che può verificarsi nell’ipotesi che i neutrini siano particelle di Majorana.

Computer quantistici e particelle di Majorana

Sono ormai quasi dieci anni che gli scienziati hanno cominciato a pensare che l’esistenza dei fermioni di Majorana possa essere provata in esperimenti di fisica dei materiali, individuando in particolare nelle nanotecnologie una strada molto promettente. Si tratterebbe in questi casi di cercare non reali particelle ma “quasiparticelle” che emergono dal comportamento globale del sistema in modo simile alle particelle virtuali che spuntano dal vuoto quantistico per un tempo brevissimo, determinato dal principio d’indeterminazione di Heisenberg. L’interesse della ricerca non risiede solo nella verifica dell’ipotesi di Majorana, ma ha enormi potenzialità per lo sviluppo di computer quantistici. In un computer tradizionale i dati sono immagazzinati ed elaborati sotto forma di bit, che possono assumere i valori di 0 oppure 1, connessi al passaggio o meno di corrente come in un interruttore. In un computer quantistico i bit sono costituiti da sistemi quantistici detti quantum bit (qubit) che, in virtù del principio di sovrapposizione, possono trovarsi contemporaneamente in più stati diversi, amplificando enormemente la potenza di calcolo. Poiché inoltre i fermioni di Majorana interagiscono pochissimo con la materia ordinaria, se usati come qubit hanno caratteristiche di grande stabilità che li rende candidati ideali per codificare informazioni quantistiche.

L’esperimento

Dopo i primi risultati già apparsi in letteratura a partire dal 2012 sia negli Stati Uniti che a Delft in Olanda, che avevano lasciato in sospeso qualche dubbio, oggi la collaborazione tra i diversi gruppi ha prodotto dei nuovi e più convincenti dati. In un articolo pubblicato su Nature il 29 marzo gli scienziati sostengono di avere ottenuto dei risultati perfettamente in accordo con l’ipotesi dell’esistenza dei fermioni di Majorana. L’idea base consiste nell’accoppiare “nanofili” semiconduttori a un materiale superconduttore per poi sottoporre il tutto a speciali campi elettrici e magnetici. Il chip è tenuto sotto vuoto e a temperature prossime allo zero assoluto per limitare al massimo il moto browniano delle molecole. Ci si aspetta che i fermioni di Majorana possano manifestarsi alle estremità del filo superconduttore. Nel caso specifico un “nanofilo” di antimoniuro di Indio (InSb) è stato parzialmente coperto con un sottile guscio di alluminio superconduttore.

E il neutrino?

I risultati di questo esperimento non hanno un effetto diretto nella determinazione della natura di Majorana o di Dirac dei neutrini. Le “quasiparticelle” di Majorana che sono state identificate e che sono candidate a divenire le unità base dei computer quantistici, emergono unicamente da stati molto peculiari della materia.

I neutrini sono invece particelle elementari tra le più diffuse nell’universo che sono create o assorbite nelle interazioni deboli, una delle quattro forze fondamentali in natura.Questo non esclude tuttavia che in futuro processi anche molto diversi non possano aiutare a gettare luce anche sull’intrinseca natura dei neutrini.