Vědci konečně našli stopy axionu, nepolapitelné částice, která málokdy interaguje s normální hmotou. Axion byl poprvé předpovězen před více než 40 lety, ale dosud nebyl viděn.
Vědci navrhli, že temná hmota, neviditelná hmota, která proniká do našeho vesmíru, může být vyrobena z axionů. Ale namísto nalezení axie temné hmoty hluboko ve vesmíru vědci objevili matematické podpisy axie v exotickém materiálu zde na Zemi.
Nově objevená axion není docela částice, jak si ji normálně myslíme: Působí jako vlna elektronů v podchlazeném materiálu známém jako semimetal. Objev však mohl být prvním krokem při řešení jednoho z hlavních nevyřešených problémů ve fyzice částic.
Axion je kandidátem na temnou hmotu, protože stejně jako temná hmota nemůže ve skutečnosti interagovat s běžnou hmotou. Tato aloofness také ztěžuje detekci axionu, pokud existuje. Tato podivná částice by také mohla pomoci vyřešit dlouhodobé hlavolam ve fyzice známé jako „silný problém s CP“. Z nějakého důvodu se zdá, že fyzikální zákony působí stejně na částice a jejich antihmotné partnery, i když jsou jejich prostorové souřadnice obráceny. Tento jev je znám jako symetrie náboj-parita, ale stávající teorie fyziky říká, že není důvod, proč by tato symetrie měla existovat. Neočekávanou symetrii lze vysvětlit existencí zvláštního pole; odhalení axionu by dokázalo, že toto pole existuje, vyřešení tohoto tajemství.
Protože vědci věří, že strašidelná neutrální částice sotva interaguje s běžnou hmotou, předpokládali, že bude obtížné detekovat pomocí existujících vesmírných dalekohledů. Vědci se proto rozhodli vyzkoušet něco více na Zemi, používat zvláštní materiál známý jako kondenzovaná hmota.
Experimenty s kondenzovanými látkami, jako jsou ty, které vědci prováděli, byly použity k „nalezení“ nepolapitelných předpovídaných částic v několika dobře známých případech, včetně případu majorana fermion. Částice nejsou detekovány v obvyklém smyslu, ale místo toho jsou nalezeny jako hromadné vibrace v materiálech, které se chovají a reagují přesně tak, jak by částice.
"Problém s pohledem na vesmír je ten, že nemůžete ovládat své experimentální prostředí velmi dobře," řekl spoluautor studie Johannes Gooth, fyzik z Institutu Maxe Plancka pro chemickou fyziku pevných látek v Německu. „Počkáte, až se událost stane, a pokusíte se ji odhalit. Myslím, že jednou z krásných věcí, jak dostat tyto koncepty vysokoenergetické fyziky do kondenzované hmoty, je to, že ve skutečnosti můžete udělat mnohem víc.“
Výzkumný tým pracoval s Weyl semimetalem, speciálním a podivným materiálem, ve kterém se elektrony chovají, jako by nemají hmotnost, neinteragují se navzájem a jsou rozděleny do dvou typů: pravák a levák. Vlastnost bytí pravý nebo levoruký se nazývá chiralita; chiralita ve Weylových semimetalech je zachována, což znamená, že existuje stejný počet pravotočivých a levotočivých elektronů. Ochlazení semimetalu na 12 stupňů Fahrenheita (minus 11 stupňů Celsia) umožnilo elektronům interagovat a kondenzovat se do vlastního krystalu.
Vlny vibrací procházející krystaly se nazývají fonony. Protože podivné zákony kvantové mechaniky diktují, že částice se mohou chovat také jako vlny, existují určité fonony, které mají stejné vlastnosti jako běžné kvantové částice, jako jsou elektrony a fotony. Gooth a jeho kolegové pozorovali v elektronovém krystalu fonony, které reagovaly na elektrická a magnetická pole přesně jako axiony. Tyto kvazičástice také neměly stejný počet pravých a levých částic. (Fyzici také předpovídali, že axiony by narušily zachování chirality.)
„Je povzbudivé, že tyto rovnice jsou natolik přirozené a přesvědčivé, že jsou realizovány v přírodě za alespoň jedné okolnosti,“ řekl teoretický fyzik MIT a nositel Nobelovy ceny Frank Wilczek, který původně pojmenoval axion v roce 1977. „Pokud víme, že existují některé materiály, které hostují axiony, no, možná materiál, který nazýváme vesmírem, obsahuje i axiony. “ Wilczek, který nebyl zapojen do této studie, také navrhl, že materiál jako Weyl semimetal by mohl být jednoho dne použit jako druh „antény“ pro detekci základních axionů nebo axionů, které existují samy o sobě jako částice ve vesmíru, spíše než jako kolektivní vibrace.
Zatímco hledání axionu jako nezávislé osamělé částice bude pokračovat, experimenty jako je tento pomáhají tradičním detekčním experimentům tím, že poskytují limity a odhady vlastností částice, jako je například hmotnost. To dává dalším experimentantům lepší představu o tom, kde hledat tyto částice. Rovněž robustně ukazuje, že existence částice je možná.
„První teorie je matematická koncepce,“ řekl Gooth. "Krása těchto experimentů s fyzikou kondenzovaných látek je, že můžeme ukázat, že tento druh matematiky vůbec existuje v přírodě."
