Ученые наконец нашли следы аксиона, неуловимой частицы, которая редко взаимодействует с нормальной материей. Аксион был впервые предсказан более 40 лет назад, но до сих пор его никогда не видели.
Ученые предположили, что темная материя, невидимая материя, которая пронизывает нашу вселенную, может быть сделана из аксионов. Но вместо того, чтобы найти аксион темной материи в глубине космоса, исследователи обнаружили математические подписи аксиона в экзотическом материале здесь, на Земле.
Недавно обнаруженный аксион не совсем частица, как мы обычно думаем об этом: он действует как волна электронов в переохлажденном материале, известном как полуметалл. Но открытие может стать первым шагом в решении одной из главных нерешенных проблем в физике элементарных частиц.
Аксион является кандидатом на темную материю, поскольку, как и темная материя, он не может реально взаимодействовать с обычной материей. Эта отчужденность также делает аксион, если он существует, чрезвычайно трудным для обнаружения. Эта странная частица также может помочь решить давнюю загадку в физике, известную как «проблема сильной СР». По некоторым причинам, законы физики, кажется, действуют одинаково на частицы и их партнеров по антивеществу, даже когда их пространственные координаты инвертированы. Этот феномен известен как симметрия четности заряда, но существующая физическая теория говорит, что нет никакой причины, по которой эта симметрия должна существовать. Неожиданная симметрия может быть объяснена наличием специального поля; обнаружение аксиона докажет, что это поле существует, разгадав эту загадку.
Поскольку ученые считают, что призрачная нейтральная частица едва взаимодействует с обычной материей, они предположили, что ее будет трудно обнаружить с помощью существующих космических телескопов. Поэтому исследователи решили попробовать что-то более приземленное на Земле, используя странный материал, известный как конденсированное вещество.
Эксперименты с конденсированным веществом, подобные тем, которые проводились исследователями, использовались для «обнаружения» неуловимых предсказанных частиц в нескольких известных случаях, в том числе в случае майорановского фермиона. Частицы не обнаруживаются в обычном смысле, а обнаруживаются как коллективные колебания в материалах, которые ведут себя и реагируют точно так же, как и частица.
«Проблема с изучением космоса заключается в том, что вы не можете очень хорошо контролировать свою экспериментальную среду», - сказал соавтор исследования Йоханнес Гут, физик из Института химической физики твердого тела им. Макса Планка в Германии. «Вы ждете, когда произойдет какое-то событие, и пытаетесь его обнаружить. Я думаю, что одна из прекрасных возможностей внедрения этих понятий физики высоких энергий в конденсированную материю состоит в том, что вы действительно можете сделать гораздо больше».
Исследовательская группа работала с полуметаллом Вейля, особым и странным материалом, в котором электроны ведут себя так, как будто они не имеют массы, не взаимодействуют друг с другом и делятся на два типа: правша и левша. Свойство быть правым или левшой называется хиральностью; киральность в полуметаллах Вейля сохраняется, то есть имеется одинаковое количество правых и левых электронов. Охлаждение полуметалла до 12 градусов по Фаренгейту (минус 11 градусов по Цельсию) позволило электронам взаимодействовать и конденсироваться в свой собственный кристалл.
Волны колебаний, проходящих через кристаллы, называются фононами. Поскольку странные законы квантовой механики диктуют, что частицы также могут вести себя как волны, существуют определенные фононы, которые имеют те же свойства, что и обычные квантовые частицы, такие как электроны и фотоны. Гот и его коллеги наблюдали фононы в электронном кристалле, которые реагировали на электрические и магнитные поля точно так же, как предсказывали аксионы. Эти квазичастицы также не имели одинакового количества правых и левых частиц. (Физики также предсказали, что аксионы нарушат сохранение киральности.)
«Обнадеживает то, что эти уравнения настолько естественны и неотразимы, что они реализуются в природе, по крайней мере, в одном случае, - сказал физик из Массачусетского технологического института и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, который первоначально назвал аксион в 1977 году.« Если мы знаем, что есть некоторые материалы, которые содержат аксионы, ну, может быть, материал, который мы называем пространством, также содержит аксионы ". Вильчек, который не принимал участия в текущем исследовании, также предположил, что такой материал, как полуметалл Вейля, однажды может быть использован как своего рода «антенна» для обнаружения фундаментальных аксионов или аксионов, которые существуют сами по себе как частицы во вселенной, а не как коллективные вибрации.
В то время как поиск аксиона как независимой, одиночной частицы будет продолжаться, подобные эксперименты помогают проводить более традиционные эксперименты по обнаружению, предоставляя ограничения и оценки свойств частицы, таких как масса. Это дает другим экспериментаторам лучшее представление о том, где искать эти частицы. Это также убедительно демонстрирует, что существование частицы возможно.
«Сначала теория - это математическая концепция», - сказал Гот. «И красота этих экспериментов по физике конденсированных сред состоит в том, что мы можем показать, что этот вид математики вообще существует в природе».
