Zinātnieki beidzot ir atraduši aksiācijas pēdas - nenotveramu daļiņu, kas reti mijiedarbojas ar parasto matēriju. Aksiums pirmo reizi tika prognozēts pirms vairāk nekā 40 gadiem, bet līdz šim tas vēl nebija redzēts.
Zinātnieki ir ierosinājuši, ka tumšā matērija, tā neredzamā matērija, kas caurstrāvo mūsu Visumu, var būt veidota no aksioniem. Tā vietā, lai atrastu tumšās vielas aksiāciju dziļi kosmosā, pētnieki ir atklājuši aksiācijas matemātiskus parakstus eksotiskā materiālā šeit uz Zemes.
Jaunatklātais aksions nav gluži daļiņa, kā mēs parasti par to domājam: Tas darbojas kā elektronu vilnis pārdzesētā materiālā, kas pazīstams kā pusmetāls. Bet atklājums varētu būt pirmais solis, lai pievērstos vienai no galvenajām neatrisinātajām problēmām daļiņu fizikā.
Aksions ir tumšās matērijas kandidāts, jo, tāpat kā tumšā matērija, tā īsti nevar mijiedarboties ar parasto matēriju. Šī savrupība arī padara aksiju, ja tāds pastāv, ārkārtīgi grūti noteikt. Šī dīvainā daļiņa varētu arī palīdzēt atrisināt fizikā jau sen pastāvošo sajukumu, kas pazīstams kā “spēcīgā CP problēma”. Kādu iemeslu dēļ šķiet, ka fizikas likumi darbojas vienādi attiecībā uz daļiņām un to antimatērijas partneriem, pat ja to telpiskās koordinātas ir apgrieztas.Šī parādība ir pazīstama kā lādiņa-paritātes simetrija, taču esošā fizikas teorija saka, ka šai simetrijai nav pamata. pastāvēt. Negaidīto simetriju var izskaidrot ar īpaša lauka esamību; aksiācijas noteikšana pierādītu, ka šis lauks pastāv, atrisinot šo noslēpumu.
Tā kā zinātnieki uzskata, ka spokaini neitrāla daļiņa tikpat kā neiedarbojas ar parasto matēriju, viņi ir pieņēmuši, ka to būtu grūti noteikt, izmantojot esošos kosmosa teleskopus. Tāpēc pētnieki nolēma izmēģināt kaut ko vairāk līdz pat Zemei, izmantojot dīvainu materiālu, kas pazīstams kā kondensēta viela.
Eksperimenti ar kondensētu vielu, piemēram, tie, kurus veica pētnieki, tika izmantoti, lai “atrastu” nenotveramas paredzamas daļiņas vairākos labi pazīstamos gadījumos, ieskaitot majorana fermionu. Daļiņas netiek atklātas parastajā izpratnē, bet tiek atrasti kā kolektīvās vibrācijas materiālos, kas uzvedas un reaģē tieši tā, kā daļiņas rīkotos.
"Problēma, skatoties no kosmosa, ir tā, ka jūs nevarat ļoti labi kontrolēt savu eksperimentālo vidi," sacīja pētījuma līdzautors Johannes Gooth, fiziķis no Maks Planka cietvielu ķīmiskās fizikas institūta Vācijā. "Jūs gaidāt, kad notiks notikums, un mēģiniet to atklāt. Es domāju, ka viena no skaistākajām lietām, kā šos augstas enerģijas fizikas jēdzienus pārvērst kondensētā matērijā, ir tas, ka jūs faktiski varat darīt daudz vairāk."
Pētījuma grupa strādāja ar Weyl semimetālu, īpašu un savādi veidotu materiālu, kurā elektroni uzvedas tā, it kā viņiem nebūtu masas, nesaskaras viens ar otru un tiek sadalīti divos veidos: ar labo roku un ar kreiso roku. Labās vai kreisās rokas īpašība tiek saukta par hirālismu; hirālitāte Weila pusmetālos ir saglabājusies, tas nozīmē, ka ir vienāds labo un kreiso roku elektronu skaits. Semimetāla atdzesēšana līdz 12 grādiem pēc Fārenheita (mīnus 11 grādi pēc Celsija) ļāva elektroniem mijiedarboties un kondensēties pašiem par sevi veidotiem kristāliem.
Vibrācijas viļņi, kas pārvietojas caur kristāliem, tiek saukti par fononiem. Tā kā dīvainie kvantu mehānikas likumi nosaka, ka daļiņas var izturēties arī kā viļņi, ir noteikti fononi, kuriem ir tādas pašas īpašības kā parastajām kvantu daļiņām, piemēram, elektroni un fotoni. Gots un viņa kolēģi novēroja elektronu kristālos fononus, kas reaģēja uz elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem tieši tāpat, kā tiek prognozēts. Šajās kvazipartiklās nebija arī vienādu labo un kreiso roku daļiņu skaita. (Fiziķi arī paredzēja, ka aksiumi sagraus hirālitātes saglabāšanos.)
"Tas ir iepriecinoši, ka šie vienādojumi ir tik dabiski un pārliecinoši, ka dabā tie tiek realizēti vismaz vienā gadījumā," sacīja MIT teorētiskais fiziķis un Nobela prēmijas laureāts Frenks Vilczeks, kurš sākotnēji nosauca aksiāciju 1977. gadā. "Ja mēs zinām, ka ir daži materiāli, kas uzņem aksijas, labi, varbūt materiāls, ko mēs saucam par kosmosu, arī mīt aksijas. " Wilczek, kurš nebija iesaistīts pašreizējā pētījumā, arī ierosināja, ka tādu materiālu kā Weyl semimetal kādu dienu varētu izmantot kā sava veida "antenu", lai noteiktu fundamentālās aksiācijas vai aksiācijas, kuras pašas par sevi pastāv kā daļiņas Visumā, nevis kā kolektīvās vibrācijas.
Kaut arī axion kā neatkarīgu, vientuļu daļiņu meklēšana tiks turpināta, šādi eksperimenti palīdz tradicionālākiem noteikšanas eksperimentiem, nodrošinot daļiņu īpašību, piemēram, masas, ierobežojumus un aprēķinus. Tas citiem eksperimentētājiem sniedz labāku priekšstatu par to, kur meklēt šīs daļiņas. Tas arī pārliecinoši parāda, ka daļiņas esamība ir iespējama.
"Vispirms teorija ir matemātiska koncepcija," sacīja Goote. "Un šo kondensētās fizikas eksperimentu skaistums ir tas, ka mēs varam parādīt, ka šāda veida matemātika dabā vispār pastāv."
