Mørk stof kandidat kunne vise snorlige effekter i laboratoriet

En hypotetisk partikel, der kunne løse et af de største gåder i kosmologi, blev lige lidt mindre mystisk. En RIKEN-fysiker og to kolleger har afsløret de matematiske fundamenter, der kan forklare, hvordan såkaldte aksioner kan generere strenglignende enheder, der skaber en underlig spænding i laboratoriematerialer.

Aksioner blev først foreslået i 1970'erne af fysikere, der studerede teorien om kvantekromodynamik, som beskriver, hvordan nogle elementarpartikler holdes sammen i atomkernen. Problemet var, at denne teori forudsagde nogle bizarre egenskaber for kendte partikler, der ikke observeres. For at løse dette, fysikere stillede en ny partikel - senere kaldet aksionen, efter et mærke med vaskemiddel, fordi det hjalp med at rydde op i et rod i teorien.

Fysikere indså hurtigt, at aksioner også kunne opklare en kosmisk gåde. Mere end 80% af sagen i universet menes at bestå af et mystisk usynligt stof, kaldet mørkt stof. "Axioner er en kandidat til mørkt stof, men vi har ikke fundet dem endnu, "siger Yoshimasa Hidaka, af RIKEN's tværfaglige teoretiske og matematiske videnskabsprogram. Axioner kan have de rigtige egenskaber, så fysikere har søgt efter tegn på, at de findes i talrige forsøg. I juni 2020, XENON1T -eksperimentet på Gran Sasso -laboratoriet i Italien rapporterede hints om, at de muligvis har opdaget aksionen - men det resultat er endnu ikke bekræftet.

Men der er en anden arena, hvor aksionsejendomme kan studeres. Fysikere kan forberede eksotiske materialer - kaldet topologiske isolatorer - i laboratoriet, som viser mærkelige egenskaber, såsom at lede elektricitet på deres overflader, mens de resterende elektriske isolatorer er indeni. Sådanne materialer udviser anden underlig adfærd. Sommetider, deres elektroner grupperer sig og bevæger sig på en sådan måde, at materialet ser ud til at være fremstillet af "kvasipartikler" med usædvanlige egenskaber. Dette kan skabe en uventet spænding over materialet, kaldes den afvigende Hall -effekt.

Axionen forudsiges også at opstå på denne måde, i topologiske isolatorer, hvor det skal interagere med lyspartikler, eller fotoner, på en anden måde end almindelige partikler.

Hidaka og hans to kolleger har nu undersøgt teorien om interaktionen mellem aksioner og fotoner. Selvom aksioner er punktlignende partikler, teamet beregnet, at inden for materialer, lys interagerer faktisk med udvidede gevindlignende konfigurationer lavet af aksioner, kaldes aksioniske strenge. Det ville føre til den unormale Hall -effekt, som observeres i forsøg.

"Vi har fundet den underliggende matematiske struktur for fænomenet, "siger Hidaka.