Вчені нарешті знайшли сліди аксіону, невловимої частинки, яка рідко взаємодіє з нормальною речовиною. Вперше пророкували аксіону понад 40 років тому, але досі його не бачили.
Вчені припустили, що темна речовина, невидима матерія, яка пронизує наш Всесвіт, може бути зроблена з аксіонів. Але замість того, щоб знайти аксіон темної речовини глибоко в космосі, дослідники виявили математичні підписи аксіону в екзотичному матеріалі тут, на Землі.
Нещодавно виявлений аксіон не зовсім частинка, як ми зазвичай думаємо про нього: Він діє як хвиля електронів у переохолодженому матеріалі, який називається напівметалом. Але це відкриття може стати першим кроком у вирішенні однієї з основних невирішених проблем фізики частинок.
Аксіон є кандидатом у темну матерію, оскільки, як і темна матерія, він не може реально взаємодіяти з звичайною матерією. Ця відстань також робить аксіон, якщо він існує, надзвичайно важко виявити. Ця дивна частка може також допомогти вирішити давню загадку у фізиці, відому як "сильна проблема СР". Чомусь закони фізики, здається, діють однаково як на частинки, так і на їх антиматеріальні партнери, навіть коли їх просторові координати перевернуті. Це явище відоме як симетрія парності заряду, але існуюча теорія фізики говорить, що немає ніякої причини, що ця симетрія повинна існують. Несподівану симетрію можна пояснити існуванням спеціального поля; виявлення аксіону довело б, що це поле існує, вирішуючи цю таємницю.
Оскільки вчені вважають, що примарні, нейтральні частинки ледь взаємодіють із звичайною речовиною, вони припустили, що це важко буде виявити за допомогою існуючих космічних телескопів. Тож дослідники вирішили спробувати щось більше на Землі, використовуючи дивний матеріал, відомий як згущена речовина.
Експерименти зі згущеними речовинами, як той, який проводили дослідники, були використані для «пошуку» невловимих передбачуваних частинок у кількох відомих випадках, у тому числі ферміону мажори. Частинки не виявляються у звичному розумінні, а натомість знаходяться як колективні коливання в матеріалах, які ведуть себе і реагують точно так, як би частинка.
"Проблема в погляді на космос полягає в тому, що ви не можете дуже добре контролювати своє експериментальне середовище", - сказав співавтор дослідження Йоганнес Гот, фізик з Інституту хімічної фізики Макса Планка в Німеччині. "Ви чекаєте, коли станеться подія, і намагаєтесь її виявити. Я думаю, що однією з найкрасивих речей введення цих понять фізики високих енергій у конденсовану речовину є те, що ви насправді можете зробити набагато більше".
Дослідницька група працювала з напівметалом Вейля, особливим і дивним матеріалом, в якому електрони поводяться так, ніби не мають маси, не взаємодіють один з одним і розділяються на два типи: праворукий і ліворукий. Властивість бути праворуким або ліворуким називається хіральністю; Хіральність у півметалів Вейля зберігається, тобто є однакова кількість правих і лівих електронів. Охолодження напівметалу до 12 градусів за Фаренгейтом (мінус 11 градусів Цельсія) дозволило електронам взаємодіяти і конденсуватися у власний кристал.
Хвилі вібрацій, що проходять через кристали, називають фононами. Оскільки дивні закони квантової механіки диктують, що частинки також можуть поводитись як хвилі, є певні фонони, які мають ті ж властивості, що і звичайні квантові частинки, такі як електрони та фотони. Гот та його колеги спостерігали фонони в кристалі електронів, які реагували на електричні та магнітні поля саме так, як передбачається. Ці квазічастинки також не мали однакової кількості праворуч і ліворуких частинок. (Фізики також передбачили, що аксіони порушать збереження хіральності.)
"Це обнадіює те, що ці рівняння є настільки природними і переконливими, що вони реалізуються в природі хоча б за однією обставиною", - сказав теоретичний фізик MIT і лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек, який спочатку назвав аксіону в 1977 році. "Якщо ми знаємо, що є деякі матеріали, в яких розміщуються аксіони, ну, можливо, матеріал, який ми називаємо простором, також містить осі ". Вільчек, який не брав участі в поточному дослідженні, також висловив припущення, що такий матеріал, як напівметал Вейла, одного дня може бути використаний як своєрідна "антена" для виявлення фундаментальних аксіонів або аксіонів, які існують самі по собі як частинки у Всесвіті, а не як колективні вібрації.
Поки пошук аксіону як незалежної, самотньої частинки триватиме, експерименти на зразок цього допомагають більш традиційним експериментам з виявлення, надаючи обмеження та оцінюючи властивості частинки, такі як маса. Це дає іншим експерименталістам краще уявлення, де шукати ці частинки. Це також наочно демонструє, що існування частинки можливо.
"Спочатку теорія - це математичне поняття", - сказав Гут. "І краса цих експериментів з фізики ущільненої речовини полягає в тому, що ми можемо показати, що такий вид математики взагалі існує в природі".
