Oamenii de știință au găsit în sfârșit urme ale axionului, o particulă evazivă care interacționează rar cu materia normală. Axa a fost prezisă pentru prima dată în urmă cu 40 de ani, dar nu a fost văzută niciodată până acum.
Oamenii de știință au sugerat că materia întunecată, materia invizibilă care pătrunde în universul nostru, poate fi făcută din axiuni. În loc să găsească o axiune de materie întunecată adânc în spațiul exterior, cercetătorii au descoperit semnături matematice ale unei axiuni într-un material exotic aici pe Pământ.
Axa recent descoperită nu este chiar o particulă așa cum ne gândim în mod normal la ea: acționează ca o undă de electroni într-un material supraînvelit cunoscut sub numele de semimetal. Dar descoperirea ar putea fi primul pas în abordarea uneia dintre problemele majore nesoluționate în fizica particulelor.
Axa este un candidat pentru materia întunecată, deoarece, la fel ca materia întunecată, nu poate interacționa cu adevărat cu materia obișnuită. Această aloofilitate face ca axiunea, dacă există, să fie extrem de dificil de detectat. Această particulă ciudată ar putea ajuta, de asemenea, la rezolvarea unui conundru de lungă durată în fizică cunoscut sub numele de "problema puternică a CP". Din anumite motive, legile fizicii par să acționeze la fel asupra particulelor și a partenerilor lor de antimaterie, chiar și atunci când coordonatele lor spațiale sunt inversate. Acest fenomen este cunoscut sub numele de simetrie sarcină-paritate, dar teoria fizicii existente spune că nu există niciun motiv pentru care această simetrie trebuie să exista. Simetria neașteptată poate fi explicată prin existența unui câmp special; detectarea unei axiuni ar demonstra că acest câmp există, rezolvând acest mister.
Deoarece oamenii de știință cred că particulele fantomate, neutre, abia interacționează cu materia obișnuită, au presupus că ar fi greu de detectat folosind telescoapele spațiale existente. Așadar, cercetătorii au decis să încerce ceva mai jos pe Pământ, folosind un material ciudat cunoscut sub numele de materie condensată.
Experimente cu materie condensată precum cea efectuată de cercetători au fost folosite pentru a „găsi” particule evazate evazive în mai multe cazuri cunoscute, inclusiv în cel al fermionului de majorana. Particulele nu sunt detectate în sensul obișnuit, ci se găsesc în schimb ca vibrații colective în materialele care se comportă și răspund exact așa cum ar fi.
„Problema privirii spațiului exterior este că nu îți poți controla foarte bine mediul experimental”, a declarat co-autorul studiului Johannes Gooth, fizician la Institutul Max Planck pentru fizica chimică a solidelor din Germania. "Aștepți să se întâmple un eveniment și să încerci să-l detectezi. Cred că unul dintre lucrurile frumoase ale înțelegerii acestor concepte de fizică cu energie mare în materie condensată este că de fapt poți face mult mai mult."
Echipa de cercetare a lucrat cu un semimetal Weyl, un material special și ciudat în care electronii se comportă ca și cum nu ar avea masă, nu interacționează între ei și sunt împărțiți în două tipuri: dreapta și stânga. Proprietatea de a fi drept sau stânga se numește chiralitate; chiralitatea în semimetalele Weyl este păstrată, ceea ce înseamnă că există un număr egal de electroni la dreapta și la stânga. Răcirea semimetalului la 12 grade Fahrenheit (minus 11 grade Celsius) a permis electronilor să interacționeze și să se condenseze într-un cristal propriu.
Valurile de vibrații care călătoresc prin cristale se numesc fononi. Deoarece legile ciudate ale mecanicii cuantice dictează că particulele se pot comporta și ca unde, există anumite fononi care au aceleași proprietăți ca particulele cuantice comune, cum ar fi electronii și fotonii. Gooth și colegii săi au observat fononi în cristalul de electroni care răspundeau câmpurilor electrice și magnetice exact așa cum se presupune că sunt axiile. Aceste cvasiparticule nu aveau, de asemenea, un număr egal de particule din dreapta și din stânga. (Fizicienii au prezis, de asemenea, că acțiunile vor rupe conservarea chiralității.)
"Este încurajator faptul că aceste ecuații sunt atât de naturale și convingătoare, încât sunt realizate în natură în cel puțin o circumstanță", a spus fizicianul teoretic al MIT și laureatul Nobel Frank Wilczek, care a numit inițial axionul în 1977. "Dacă știm că există unele materialele care găzduiesc axiile, ei bine, poate materialul pe care îl numim spațiu adăpostește și axiuni. " Wilczek, care nu a fost implicat în studiul actual, a sugerat, de asemenea, că un material precum Weyl semimetal ar putea fi folosit într-o zi ca un fel de "antenă" pentru detectarea axiunilor fundamentale sau aciunilor care există în sine ca particule din univers, mai degrabă ca vibrații colective.
În timp ce căutarea axionului ca o particulă independentă va continua, experimentele de acest fel ajută la experimentele de detectare mai tradiționale, oferind limite și estimări ale proprietăților particulei, cum ar fi masa. Acest lucru le oferă celorlalți experimentali o idee mai bună de a căuta aceste particule. De asemenea, demonstrează cu tărie că existența particulelor este posibilă.
„O teorie este mai întâi un concept matematic”, a spus Gooth. „Și frumusețea acestor experimente în fizică cu materie condensată este că putem arăta că acest tip de matematică există în natură”.
