Vedci konečne našli stopy axiónu, nepolapiteľnej častice, ktorá zriedka interaguje s normálnou hmotou. Axion bol prvýkrát predpovedaný pred 40 rokmi, ale doteraz sa nikdy nevidel.
Vedci navrhli, že temná hmota, neviditeľná hmota, ktorá preniká do nášho vesmíru, môže byť vyrobená z axiónov. Vedci však namiesto toho, aby našli axión temnej hmoty hlboko vo vesmíre, objavili matematické podpisy axiónu v exotickom materiáli tu na Zemi.
Novoobjavená axia nie je celkom častica, ako si o nej bežne myslíme: Pôsobí ako vlna elektrónov v podchladenom materiáli známom ako semimetal. Tento objav by však mohol byť prvým krokom pri riešení jedného z hlavných nevyriešených problémov vo fyzike častíc.
Axion je kandidát na temnú hmotu, pretože rovnako ako temná hmota nemôže skutočne interagovať s bežnou hmotou. Táto aloofness tiež sťažuje detekciu axiónu, ak existuje. Táto podivná častica by tiež mohla pomôcť vyriešiť dlhotrvajúci hlavolam vo fyzike známy ako „silný problém s CP“. Z nejakého dôvodu sa zdá, že fyzikálne zákony pôsobia rovnako na častice a na ich antihmotných partnerov, aj keď sú ich priestorové súradnice prevrátené. Tento jav je známy ako symetria náboj-parita, ale existujúca teória fyziky hovorí, že nie je dôvod, aby táto symetria musela byť existovať. Neočakávanú symetriu možno vysvetliť existenciou špeciálneho poľa; detekcia axiónu by dokázala, že toto pole existuje, čo by vyriešilo toto tajomstvo.
Pretože vedci veria, že strašidelná neutrálna častica sotva interaguje s bežnou hmotou, predpokladali, že bude ťažké zistiť pomocou existujúcich vesmírnych teleskopov. Vedci sa preto rozhodli vyskúšať niečo viac na Zemi pomocou cudzieho materiálu známeho ako kondenzovaná hmota.
Experimenty s kondenzovanými látkami, ako sú tie, ktoré vedci uskutočnili, sa použili na „nájdenie“ nepolapiteľných predpovedaných častíc v niekoľkých dobre známych prípadoch, vrátane prípadu majorany. Častice nie sú detekované v obvyklom zmysle, ale namiesto toho sa vyskytujú ako hromadné vibrácie v materiáloch, ktoré sa správajú a reagujú presne ako častice.
„Problém pri pohľade na vesmír je v tom, že nemôžete ovládať svoje experimentálne prostredie veľmi dobre,“ uviedol spoluautor štúdie Johannes Gooth, fyzik z inštitútu Maxa Plancka pre chemickú fyziku tuhých látok v Nemecku. „Čakáte, až sa udalosť uskutoční, a pokúsite sa ju odhaliť. Myslím si, že jednou z krásnych vecí, ako dostať tieto koncepty vysokoenergetickej fyziky do kondenzovanej hmoty, je to, že v skutočnosti môžete urobiť oveľa viac.“
Výskumný tím pracoval s Weylovým semimetrom, špeciálnym a zvláštnym materiálom, v ktorom sa elektróny správajú, akoby nemali hmotu, neinteragujú navzájom a sú rozdelené do dvoch typov: pravák a ľavák. Majetok pravicového alebo ľavicového charakteru sa nazýva chiralita; chiralita vo Weylových semimetroch je zachovaná, čo znamená, že existuje rovnaký počet pravotočivých a ľavotočivých elektrónov. Ochladenie semimetalu na 12 stupňov Fahrenheita (mínus 11 stupňov Celzia) umožnilo elektrónom interagovať a kondenzovať sa do vlastného kryštálu.
Vlny vibrácií prechádzajúcich cez kryštály sa nazývajú fonóny. Pretože podivné zákony kvantovej mechaniky určujú, že častice sa môžu správať aj ako vlny, existujú určité fonóny, ktoré majú rovnaké vlastnosti ako bežné kvantové častice, ako sú elektróny a fotóny. Gooth a jeho kolegovia pozorovali fonóny v elektrónovom kryštáli, ktoré reagovali na elektrické a magnetické polia presne ako sú predpovede axióny. Tieto kvasipartikuly tiež nemali rovnaké množstvo pravých a ľavých častíc. (Fyzici tiež predpovedali, že axiómy by narušili zachovanie chirality.)
„Je povzbudivé, že tieto rovnice sú také prirodzené a presvedčivé, že sú realizované v prírode za najmenej jednej okolnosti,“ uviedol teoretický fyzik MIT a laureát Nobelovej ceny Frank Wilczek, ktorý pôvodne vymenoval axion v roku 1977. „Ak vieme, že existuje niekoľko v materiáloch, ktoré sú hostiteľmi axiónov, je možné, že v materiáli, ktorý nazývame priestor, sa nachádzajú aj axióny. ““ Wilczek, ktorý sa nezúčastnil na tejto štúdii, tiež navrhol, že materiál ako je Weyl semimetal by sa mohol jedného dňa použiť ako druh „antény“ na detekciu základných axiónov alebo axiónov, ktoré existujú samy osebe ako častice vo vesmíre, a nie ako kolektívne vibrácie.
Zatiaľ čo hľadanie axiónu ako nezávislej osamelej častice bude pokračovať, experimenty ako je tento pomáhajú tradičnejším detekčným experimentom tým, že poskytujú limity a odhady vlastností častice, ako je napríklad hmotnosť. To dáva iným experimentátorom lepšiu predstavu o tom, kde hľadať tieto častice. Robustne to dokazuje, že existencia častice je možná.
„Prvá teória je matematický koncept,“ povedal Gooth. „Krása týchto experimentov z fyziky kondenzovaných látok spočíva v tom, že dokážeme dokázať, že tento druh matematiky vôbec existuje v prírode.“
