Учените най-накрая са открили следи от аксиона, неуловима частица, която рядко взаимодейства с нормалната материя. За първи път аксионът е бил предсказан преди повече от 40 години, но досега не е бил виждан.
Учените предполагат, че тъмната материя, невидимата материя, която прониква в нашата Вселена, може да бъде направена от аксиони. Но вместо да намерят аксион на тъмна материя дълбоко в космическото пространство, изследователите са открили математически подписи на аксион в екзотичен материал тук, на Земята.
Новооткритият аксион не е съвсем частица, както обикновено мислим за него: Той действа като вълна от електрони в преохладен материал, известен като полуметал. Но откритието може да бъде първата стъпка за справяне с един от основните нерешени проблеми във физиката на частиците.
Асионът е кандидат за тъмна материя, тъй като, подобно на тъмната материя, тя наистина не може да взаимодейства с обикновената материя. Тази чувствителност също прави аксиона, ако съществува, изключително труден за откриване. Тази странна частица би могла също да помогне за решаването на дългогодишна главоблъсканица във физиката, известна като "силния проблем със СР". По някаква причина законите на физиката изглежда действат еднакво на частиците и техните антиматериални партньори, дори когато пространствените им координати са обърнати. Това явление е известно като симетрия на паритет на заряда, но съществуващата теория на физиката казва, че няма причина тази симетрия да съществува. Неочакваната симетрия може да се обясни със съществуването на специално поле; откриването на аксион ще докаже, че това поле съществува, разрешавайки тази загадка.
Тъй като учените смятат, че призрачната, неутрална частица почти не взаимодейства с обикновената материя, те предположиха, че би било трудно да се открие с помощта на съществуващи космически телескопи. Така изследователите решили да опитат нещо по-долу до Земята, използвайки странен материал, известен като кондензирана материя.
Експериментите със сгъстена материя като този, който провеждат изследователите, са били използвани за „намиране“ на неуловими предсказани частици в няколко добре известни случая, включително този на майорана фермион. Частиците не се откриват в обичайния смисъл, а вместо това се намират като колективни вибрации в материали, които се държат и реагират точно както би направила частицата.
„Проблемът с гледането на космическото пространство е, че не можете да контролирате много добре вашата експериментална среда“, казва съавторът на изследването Йоханес Гоут, физик от Института за химична физика на твърдите вещества в Германия Макс Планк. "Изчаквате да се случи събитие и се опитате да го откриете. Мисля, че едно от красивите неща за превръщането на тези понятия на физиката на висока енергия в кондензирана материя е, че всъщност можете да направите много повече."
Изследователският екип е работил със семиметал на Вайл, специален и странен материал, в който електроните се държат така, сякаш нямат маса, не си взаимодействат помежду си и са разделени на два вида: десни и левичари. Свойството да бъдеш дясно или лявшар се нарича хиралност; хиралността във полуметалите на Вейл се запазва, което означава, че има еднакъв брой десни и леви електрони. Охлаждането на полуметала до 12 градуса по Фаренхайт (минус 11 градуса по Целзий) позволи на електроните да взаимодействат и да се кондензират в свой собствен кристал.
Вълните от вибрации, пътуващи през кристали, се наричат фонони. Тъй като странните закони на квантовата механика диктуват, че частиците също могат да се държат като вълни, има определени фонони, които имат същите свойства като обикновените квантови частици, като електрони и фотони. Гот и неговите колеги наблюдават фонони в електронния кристал, които реагират на електрически и магнитни полета, точно както аксионите се предвиждат. Тези квазичастици също нямат равен брой десни и леви частици. (Физиците прогнозираха също, че аксиите ще нарушат запазването на хиралността.)
"Окуражаващо е, че тези уравнения са толкова естествени и завладяващи, че се реализират в природата при поне едно обстоятелство", казва теоретичният физик на MIT и Нобелов лауреат Франк Уилчек, който първоначално е кръстил аксиона през 1977 г. "Ако знаем, че има някои материали, които приютяват аксиони, добре, може би материалът, който наричаме пространство, също съдържа късове. " Wilczek, който не е участвал в настоящото проучване, също така предположи, че материал като Weyl semimetal може един ден да бъде използван като своеобразна „антена“ за откриване на фундаментални аксиони или аксиони, които сами по себе си съществуват като частици във Вселената, т.е. а не като колективни вибрации.
Докато търсенето на аксиона като независима, самотна частица ще продължи, експерименти като този помагат за по-традиционни експерименти за откриване, като предоставят ограничения и оценки на свойствата на частицата, като например масата. Това дава на други експерименталисти по-добра представа къде да търсят тези частици. Той също така категорично демонстрира, че съществуването на частицата е възможно.
„Първата теория е математическо понятие“, каза Гуут. "И красотата на тези експерименти по физика със сгъстена материя е, че можем да покажем, че този вид математика изобщо съществува в природата."
