Naukowcy w końcu znaleźli ślady osi, nieuchwytnej cząstki, która rzadko wchodzi w interakcje z normalną materią. Axion został po raz pierwszy przewidziany ponad 40 lat temu, ale do tej pory nie był widziany.
Naukowcy sugerują, że ciemna materia, niewidzialna materia przenikająca nasz wszechświat, może być zbudowana z osi. Ale zamiast znaleźć w ciemnej przestrzeni kosmicznej ciemną materię, naukowcy odkryli matematyczne sygnatury osi w egzotycznym materiale na Ziemi.
Nowo odkryty aksion nie jest cząstką, jak zwykle o tym myślimy: działa jak fala elektronów w przechłodzonym materiale zwanym półmetalem. Ale odkrycie może być pierwszym krokiem do rozwiązania jednego z głównych nierozwiązanych problemów w fizyce cząstek.
Axion jest kandydatem na ciemną materię, ponieważ podobnie jak ciemna materia, tak naprawdę nie może oddziaływać z regularną materią. Ta dystans sprawia, że axion, jeśli istnieje, jest niezwykle trudny do wykrycia. Ta dziwna cząstka może również pomóc w rozwiązaniu długotrwałej zagadki w fizyce znanej jako „problem silnego CP”. Z jakiegoś powodu prawa fizyki wydają się działać tak samo na cząstki i ich partnerów antymaterii, nawet gdy ich współrzędne przestrzenne są odwrócone. Zjawisko to znane jest jako symetria parzystości ładunku, ale istniejąca teoria fizyki mówi, że nie ma powodu, aby ta symetria musiała istnieć. Nieoczekiwaną symetrię można wytłumaczyć istnieniem specjalnego pola; wykrycie axion udowodni, że to pole istnieje, rozwiązując tę tajemnicę.
Ponieważ naukowcy uważają, że upiorna, neutralna cząstka ledwo wchodzi w interakcje ze zwykłą materią, przyjęto, że trudno byłoby ją wykryć za pomocą istniejących teleskopów kosmicznych. Dlatego naukowcy postanowili spróbować czegoś więcej na Ziemię, używając dziwnego materiału zwanego skondensowaną materią.
Eksperymenty na skondensowanej materii, takie jak te przeprowadzone przez naukowców, zostały wykorzystane do „znalezienia” nieuchwytnych przewidywanych cząstek w kilku dobrze znanych przypadkach, w tym w przypadku fermionu majorana. Cząstki nie są wykrywane w zwykłym znaczeniu, ale zamiast tego są wykrywane jako drgania zbiorcze w materiałach, które zachowują się i reagują dokładnie tak, jak cząstka.
„Problem z patrzeniem w przestrzeń kosmiczną polega na tym, że nie można bardzo dobrze kontrolować środowiska eksperymentalnego” - powiedział współautor badań Johannes Gooth, fizyk z Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids w Niemczech. „Czekasz na zdarzenie, które się wydarzy i próbujesz je wykryć. Myślę, że jedną z pięknych rzeczy z przeniesienia tych koncepcji fizyki wysokich energii do skondensowanej materii jest to, że możesz zrobić znacznie więcej”.
Zespół badawczy pracował z półmetalem Weyl, specjalnym i dziwnym materiałem, w którym elektrony zachowują się tak, jakby nie miały masy, nie oddziałują na siebie i są podzielone na dwa typy: praworęczny i leworęczny. Właściwość bycia prawą lub lewą ręką nazywa się chiralnością; chiralność w półmetalach Weyla jest zachowana, co oznacza, że istnieją równe liczby elektronów prawo- i leworęcznych. Schłodzenie półmetalu do 12 stopni Fahrenheita (minus 11 stopni Celsjusza) pozwoliło elektronom oddziaływać i kondensować się w swój własny kryształ.
Fale wibracji przemieszczające się przez kryształy nazywane są fononami. Ponieważ dziwne prawa mechaniki kwantowej dyktują, że cząstki mogą również zachowywać się jak fale, istnieją pewne fonony, które mają takie same właściwości jak zwykłe cząstki kwantowe, takie jak elektrony i fotony. Gooth i jego koledzy zaobserwowali fonony w krysztale elektronów, które reagowały na pola elektryczne i magnetyczne dokładnie tak, jak przewidywane są osie. Te cząsteczki również nie miały równej liczby cząstek prawo- i leworęcznych. (Fizycy przewidzieli również, że osie złamią ochronę chiralności).
„To zachęcające, że te równania są tak naturalne i przekonujące, że są realizowane w naturze w co najmniej jednej okoliczności” - powiedział fizyk teoretyczny MIT i laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek, który pierwotnie nazwał axion w 1977 r. „Jeśli wiemy, że są pewne materiały, które przyjmują osie, no cóż, być może materiał, który nazywamy przestrzenią, również mieści osie. ” Wilczek, który nie był zaangażowany w bieżące badania, również zasugerował, że materiał taki jak półmetal Weyla może pewnego dnia zostać użyty jako rodzaj „anteny” do wykrywania fundamentalnych osi lub osi, które same w sobie istnieją jako cząstki we wszechświecie, zamiast jako kolektywne wibracje.
Podczas gdy poszukiwania osi jako niezależnej, samotnej cząstki będą kontynuowane, takie eksperymenty pomagają w bardziej tradycyjnych eksperymentach z detekcją, zapewniając ograniczenia i oszacowania właściwości cząstki, takich jak masa. Daje to innym eksperymentatorom lepsze pojęcie, gdzie szukać tych cząstek. Mocno pokazuje również, że istnienie cząstki jest możliwe.
„Najpierw teoria to koncepcja matematyczna” - powiedział Gooth. „Piękno tych eksperymentów z fizyką materii skondensowanej polega na tym, że możemy pokazać, że tego rodzaju matematyka w ogóle istnieje”.
