Forskere har endelig fundet spor af aksionen, en undvigende partikel, der sjældent interagerer med normal stof. Axionen blev først forudsagt for over 40 år siden, men er aldrig set før nu.
Forskere har antydet, at mørkt stof, det usynlige stof, der gennemsyrer vores univers, kan være lavet af aksioner. Men snarere end at finde en mørk materieaksion dybt i det ydre rum, har forskere opdaget matematiske underskrifter af en aksion i et eksotisk materiale her på Jorden.
Den nyligt opdagede aksion er ikke helt en partikel, som vi normalt tænker på den: Den fungerer som en bølge af elektroner i et superkølet materiale kendt som en semimetal. Men opdagelsen kunne være det første skridt i adressering af et af de største uløste problemer inden for partikelfysik.
Axion er en kandidat til mørk stof, da den, ligesom mørk stof, ikke rigtig kan interagere med almindelig stof. Denne afsideshed gør også aksien, hvis den findes, ekstremt vanskelig at opdage. Denne mærkelige partikel kan også hjælpe med at løse et langvarigt besvær i fysik kendt som "det stærke CP-problem." Af en eller anden grund synes fysiklovene at virke ens på partikler og deres antimaterielle partnere, selv når deres rumlige koordinater er omvendt. Dette fænomen er kendt som ladning-paritet-symmetri, men den eksisterende fysikteori siger, at der ikke er nogen grund til, at denne symmetri skal eksisterer. Den uventede symmetri kan forklares ved eksistensen af et specielt felt; detektering af en aksion ville bevise, at dette felt findes, og løse dette mysterium.
Fordi forskere mener, at den spøgelsesrige, neutrale partikel knap interagerer med almindeligt stof, har de antaget, at det ville være svært at opdage ved hjælp af eksisterende rumteleskoper. Så forskerne besluttede at prøve noget mere ned på Jorden ved hjælp af et mærkeligt materiale kendt som kondenseret stof.
Kondenserede stofeksperimenter som den, forskerne udførte, er blevet brugt til at "finde" undvigelige forudsagte partikler i flere velkendte tilfælde, herunder majorana fermion. Partiklerne detekteres ikke i den sædvanlige forstand, men findes i stedet som kollektive vibrationer i materialer, der opfører sig og reagerer nøjagtigt, som partiklen ville.
"Problemet med at se på det ydre rum er, at du ikke kan kontrollere dit eksperimentelle miljø meget godt," sagde studieforfatter Johannes Gooth, en fysiker ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Germany. "Du venter på, at en begivenhed skal ske og prøve at opdage den. Jeg tror, at en af de smukke ting ved at få disse begreber med højenergifysik ind i kondenseret stof er, at du faktisk kan gøre meget mere."
Forskerteamet arbejdede med en Weyl semimetal, et specielt og mærkeligt materiale, hvor elektroner opfører sig som om de ikke har nogen masse, ikke interagerer med hinanden og er opdelt i to typer: højrehåndede og venstrehåndede. Egenskaben ved at være enten højre- eller venstrehendt kaldes chiralitet; chiralitet i Weyl semimetaler bevares, hvilket betyder, at der er lige mange højre- og venstrehåndselektroner. Afkøling af semimetallet til 12 grader Fahrenheit (minus 11 grader celsius) gjorde det muligt for elektronerne at interagere og kondensere sig til en krystal af deres egne.
Bølger af vibrationer, der bevæger sig gennem krystaller, kaldes fononer. Da kvantemekanikens underlige love dikterer, at partikler også kan opføre sig som bølger, er der visse fononer, der har de samme egenskaber som almindelige kvantepartikler, såsom elektroner og fotoner. Gooth og hans kolleger observerede fononer i elektronkrystallen, som reagerede på elektriske og magnetiske felter, nøjagtigt som aksier er forudsagt for. Disse kvasipartikler havde heller ikke lige mange højre- og venstrehåndede partikler. (Fysikere forudsagde også, at aksioner ville bryde bevarelsen af chiralitet.)
"Det er opmuntrende, at disse ligninger er så naturlige og overbevisende, at de realiseres i naturen i mindst én situation," sagde MIT teoretisk fysiker og nobelprisvinder Frank Wilczek, der oprindeligt navngav aksionen i 1977. "Hvis vi ved, at der er nogle materialer, der er vært for aksioner, ja, måske er det materiale, vi kalder rum, også huser aksioner. " Wilczek, der ikke var involveret i den aktuelle undersøgelse, foreslog også, at et materiale som Weyl semimetal en dag kunne bruges som en slags "antenne" til at detektere grundlæggende aksioner, eller aksioner, der findes i deres egen ret som partikler i universet, snarere end som kollektive vibrationer.
Mens søgningen efter aksionen som en uafhængig, ensom partikel fortsætter, hjælper eksperimenter som denne til mere traditionelle detekteringseksperimenter ved at tilvejebringe begrænsninger og estimater af partiklens egenskaber, såsom masse. Dette giver andre eksperimenter en bedre idé om, hvor de skal lede efter disse partikler. Det demonstrerer også robust, at partiklens eksistens er mulig.
"En teori først er et matematisk koncept," sagde Gooth. "Og det smukke med disse kondenserede fysikeksperimenter er, at vi kan vise, at denne form for matematik overhovedet findes i naturen."
