Tutkijat ovat vihdoin löytäneet jälkiä axionista, vaikeasta hiukkasesta, joka on harvoin vuorovaikutuksessa normaalin aineen kanssa. Aksioni ennustettiin ensimmäisen kerran yli 40 vuotta sitten, mutta sitä ei ole koskaan nähty toistaiseksi.
Tutkijat ovat ehdottaneet, että tumma aine, maailmankaikkeuttamme tunkeutuva näkymätön aine, voisi olla valmistettu aksioista. Mutta sen sijaan, että löytäisivät tumman aineen aksion syvältä avaruudesta, tutkijat ovat löytäneet matemaattiset allekirjoitukset aksionista eksoottisesta materiaalista täällä maan päällä.
Äskettäin löydetty aksio ei ole aivan hiukkanen, kuten yleensä ajattelemme sitä: Se toimii elektronien aallona puolijäähdytetyssä ylikuumennetussa materiaalissa. Mutta löytö voisi olla ensimmäinen askel käsitellessä yhtä hiukkasfysiikan suurimmista ratkaisemattomista ongelmista.
Aksioni on ehdokas tummalle aineelle, koska kuten tumma aine, se ei voi oikein olla vuorovaikutuksessa normaalin aineen kanssa. Tämä syrjäytyminen tekee aksionista myös erittäin vaikean havaita, jos sitä on. Tämä outo hiukkanen voisi myös auttaa ratkaisemaan fysiikan pitkäaikaisen ymmärryksen, joka tunnetaan nimellä "vahva CP-ongelma". Jostain syystä fysiikan lait vaikuttavat vaikuttavan samalla tavalla hiukkasiin ja niiden antimateria-kumppaneihin, jopa kun niiden alueelliset koordinaatit ovat päinvastaiset. Tätä ilmiötä kutsutaan varauspariteettisymmetriaksi, mutta nykyisen fysiikan teorian mukaan tämän symmetrian ei tarvitse olla syytä. olla olemassa. Odottamaton symmetria selittyy erityisen kentän olemassaololla; aksion havaitseminen todistaisi tämän kentän olemassaolon ratkaisevan tämän mysteerin.
Koska tutkijat uskovat, että aavemainen, neutraali hiukkanen on tuskin vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa, he ovat olettaneet, että nykyisten avaruusteleskooppien avulla olisi vaikea havaita. Joten tutkijat päättivät kokeilla jotain enemmän maan päälle, käyttämällä outoa materiaalia, joka tunnetaan tiivistyneenä aineena.
Tutkijoiden suorittamien tiivisteainekokeita on käytetty "etsimään" vaikeasti ennustettavia hiukkasia useissa tunnetuissa tapauksissa, mukaan lukien majoranafermionin kokeet. Hiukkasia ei havaita tavanomaisessa mielessä, vaan ne löydetään sen sijaan kollektiivisena värähtelynä materiaaleissa, jotka käyttäytyvät ja reagoivat täsmälleen kuten hiukkaset tekisivät.
"Ulkoavaruuden tarkastelussa on ongelma siinä, että et voi hallita koekäyttöympäristöäsi erittäin hyvin", sanoi tutkimuksen avustaja Johannes Gooth, fysiikka Max Planckin kiinteiden aineiden kemiallista fysiikkaa käsittelevässä instituutissa Saksassa. "Odotat tapahtuman tapahtuu ja yrität havaita sen. Mielestäni yksi kauniista asioista saada nämä korkean energian fysiikan käsitteet tiivistetyksi aineeksi on se, että pystyt itse asiassa tekemään paljon enemmän."
Tutkimusryhmä työskenteli Weyl-semimetallin kanssa, erikoisen ja omituisen materiaalin kanssa, jossa elektronit käyttäytyvät ikään kuin niillä ei olisi massaa, ne eivät ole vuorovaikutuksessa keskenään ja jakautuvat kahteen tyyppiin: oikeakätiseen ja vasenkätiseen. Oikeuden- tai vasenkätisen ominaisuutta kutsutaan kiraalisuudeksi; kiraalisuus Weylin puolimetaaleissa säilyy, mikä tarkoittaa, että oikean ja vasemman käden elektronia on yhtä paljon. Puolimetallin jäähdyttäminen 12 asteeseen Fahrenheit (miinus 11 celsiusastetta) antoi elektronien olla vuorovaikutuksessa ja tiivistyä itsensä omaksi kideksi.
Kristallien läpi kulkevia värähtelyaaltoja kutsutaan fononeiksi. Koska kvanttimekaniikan omituiset lait määräävät hiukkasten käyttäytyvän myös aalloina, on tiettyjä fononeja, kuten elektroneja ja fotoneja, joilla on samat ominaisuudet kuin tavallisilla kvanttihiukkasilla. Gooth ja hänen kollegansa havaitsivat elektronikiteessä fononeja, jotka reagoivat sähkö- ja magneettikenttiin aivan kuten aksioiden ennustetaan. Näissä kvaasipartikkeleissa ei myöskään ollut yhtä paljon oikean- ja vasenkätisiä hiukkasia. (Fyysikot ennustivat myös, että akselit rikkovat kiraalisuuden säilymisen.)
"On rohkaisevaa, että nämä yhtälöt ovat niin luonnollisia ja pakottavia, että ne toteutuvat luonnossa ainakin yhdessä tilanteessa", sanoi MIT: n teoreettinen fyysikko ja Nobelin palkinnon saaja Frank Wilczek, joka alun perin nimitti aksion vuonna 1977. "Jos tiedämme, että joitain materiaaleja, jotka isännöivät aksioita, ja ehkä, materiaalina, jota kutsumme avaruudeksi, on myös aksioita. " Wilczek, joka ei ollut mukana tässä tutkimuksessa, ehdotti myös, että Weyl-semimetallin kaltaista materiaalia voitaisiin yhtenä päivänä käyttää eräänlaisena "antennina" perustaaksioionien tai sellaisten akselien havaitsemiseksi, jotka ovat itsessään olemassa hiukkasina maailmankaikkeudessa, pikemminkin kuin kollektiivisena värähtelynä.
Vaikka aksionin etsiminen itsenäisenä, yksinäisenä hiukkasena jatkuu, tämänkaltaiset kokeet auttavat perinteisempiä havaitsemiskokeita tarjoamalla rajoituksia ja arvioita hiukkasen ominaisuuksista, kuten massasta. Tämä antaa muille kokeilijoille paremman kuvan mistä etsiä näitä hiukkasia. Se osoittaa myös voimakkaasti, että hiukkasen olemassaolo on mahdollista.
"Teoria on ensin matemaattinen käsite", sanoi Gooth. "Ja näiden tiivistettyjen aineiden fysiikkakokeiden kauneus on, että voimme osoittaa, että tällaista matematiikkaa on luonnossa olemassa."
