Forskare har äntligen hittat spår av axionen, en svårfångad partikel som sällan interagerar med normal materia. Axionen förutsades först för mer än 40 år sedan men har aldrig sett förrän nu.
Forskare har föreslagit att mörk materia, den osynliga materien som genomsyrar vårt universum, kan vara gjord av axioner. Men snarare än att hitta en mörk materiaxion djupt i det yttre rymden, har forskare upptäckt matematiska signaturer av en axion i ett exotiskt material här på jorden.
Den nyligen upptäckta axionen är inte riktigt en partikel eftersom vi normalt tänker på den: Den fungerar som en våg av elektroner i ett superkylt material känt som en semimetal. Men upptäckten kan vara det första steget i att hantera ett av de största olösta problemen inom partikelfysik.
Axionen är en kandidat för mörk materia, eftersom den, precis som mörk materia, inte riktigt kan interagera med vanlig materia. Denna avlägsnande gör också axionen, om den finns, extremt svår att upptäcka. Denna konstiga partikel kan också hjälpa till att lösa ett långvarigt problem i fysiken känd som "det starka CP-problemet." Av någon anledning verkar fysikens lagar verka samma på partiklar och deras antimateriella partners, även när deras rumsliga koordinater är inverterade. Detta fenomen är känt som laddningsparitetssymmetri, men befintlig fysikteori säger att det inte finns någon anledning till att denna symmetri måste existera. Den oväntade symmetrin kan förklaras genom att det finns ett specialfält; att upptäcka en axion skulle bevisa att detta fält finns och lösa detta mysterium.
Eftersom forskare tror att den spöklika, neutrala partikeln knappt interagerar med vanligt ämne, har de antagit att det skulle vara svårt att upptäcka med befintliga rymdteleskoper. Så forskarna bestämde sig för att prova något mer ned på jorden med ett konstigt material känt som kondenserat material.
Kondenserade ämnesexperiment som de som forskarna genomförde har använts för att "hitta" svårfångade förutsagda partiklar i flera välkända fall, inklusive majorana fermion. Partiklarna upptäcks inte i vanlig mening, utan finns istället som kollektiva vibrationer i material som uppträder och svarar exakt som partikeln skulle.
"Problemet med att titta på yttre rymden är att du inte kan kontrollera din experimentella miljö så bra", säger studiens medförfattare Johannes Gooth, en fysiker vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Tyskland. "Du väntar på att en händelse inträffar och försöker upptäcka den. Jag tror att en av de vackra sakerna med att få dessa begrepp med högenergifysik i kondenserad materia är att du faktiskt kan göra mycket mer."
Forskningsteamet arbetade med en Weyl-semimetal, ett speciellt och konstigt material där elektroner beter sig som om de inte har någon massa, inte interagerar med varandra och delas upp i två typer: högerhänta och vänsterhänt. Egenskapen att vara antingen höger- eller vänsterhänt kallas kiralitet; chiralitet i Weyl-semimetaler bevaras, vilket innebär att det finns lika många höger- och vänsterhandade elektroner. Kylning av semimetalen till 12 grader Fahrenheit (minus 11 grader Celsius) tillät elektronerna att interagera och kondensera sig till en egen kristall.
Våg av vibrationer som reser genom kristaller kallas fononer. Eftersom kvantmekanikens konstiga lagar dikterar att partiklar också kan bete sig som vågor finns det vissa fononer som har samma egenskaper som vanliga kvantpartiklar, till exempel elektroner och fotoner. Gooth och hans kollegor observerade fononer i elektronkristallen som svarade på elektriska och magnetiska fält precis som axlar förutses. Dessa kvasipartiklar hade inte heller lika många höger- och vänsterhändiga partiklar. (Fysiker förutspådde också att axioner skulle bryta bevarandet av kiraliteten.)
"Det är uppmuntrande att dessa ekvationer är så naturliga och övertygande att de förverkligas i naturen i åtminstone en omständighet," sade MIT teoretisk fysiker och nobelpristagare Frank Wilczek, som ursprungligen namngav axionen 1977. "Om vi vet att det finns några material som är värd för axlar, ja, kanske det material vi kallar rymden också innehåller axioner. " Wilczek, som inte var inblandad i den aktuella studien, föreslog också att ett material som Weyl semimetal en dag skulle kunna användas som en slags "antenn" för att upptäcka grundläggande axioner, eller axioner som finns i sig själva som partiklar i universum, snarare än som kollektiva vibrationer.
Medan sökandet efter axionen som en oberoende, ensam partikel fortsätter, hjälper experiment som detta mer traditionella detekteringsexperiment genom att tillhandahålla gränser för och uppskattningar av partikelns egenskaper, såsom massa. Detta ger andra experimentalister en bättre uppfattning om var de ska leta efter dessa partiklar. Det visar också robust att partikelns existens är möjlig.
"En teori först är ett matematiskt begrepp", säger Gooth. "Och det fina med dessa kondenserade materialfysikexperiment är att vi kan visa att den här typen av matematik finns i naturen alls."
