Axial Higgs-tilstand:Undvigende partikel opdaget i et materiale gennem eksperiment på bordplade

Et tværfagligt hold ledet af Boston College-fysikere har opdaget en ny partikel - eller tidligere uopdagelig kvanteexcitation - kendt som den aksiale Higgs-tilstand, en magnetisk slægtning til den massedefinerende Higgs Boson-partikel, rapporterer holdet i online-udgaven af ​​tidsskriftet Naturen .

Påvisningen for ti år siden af ​​den længe søgte Higgs Boson blev central for forståelsen af ​​masse. I modsætning til sin forælder har aksial Higgs-tilstand et magnetisk moment, og det kræver en mere kompleks form af teorien for at forklare dens egenskaber, siger professor i fysik ved Boston College Kenneth Burch, en ledende medforfatter af rapporten "Axial Higgs Mode Detected by Quantum Pathway Interference i RTe3."

Teorier, der forudsagde eksistensen af ​​en sådan tilstand, er blevet påberåbt for at forklare "mørkt stof", det næsten usynlige materiale, der udgør meget af universet, men kun åbenbarer sig selv via tyngdekraften, sagde Burch.

Mens Higgs Boson blev afsløret ved eksperimenter i en massiv partikelkolliderer, fokuserede holdet på RTe3, eller sjældne jordarters tritellurid, et velundersøgt kvantemateriale, der kan undersøges ved stuetemperatur i et "bordplade" eksperimentelt format.

"Det er ikke hver dag, du finder en ny partikel siddende på din bordplade," sagde Burch.

RTe3 har egenskaber, der efterligner teorien, der producerer den aksiale Higgs-tilstand, sagde Burch. Men den centrale udfordring i at finde Higgs-partikler generelt er deres svage kobling til eksperimentelle sonder, såsom lysstråler, sagde han. Tilsvarende kræver afsløring af partiklers subtile kvanteegenskaber normalt ret komplekse eksperimentelle opsætninger, herunder enorme magneter og kraftige lasere, mens prøverne afkøles til ekstremt kolde temperaturer.

Holdet rapporterer, at det overvandt disse udfordringer gennem den unikke brug af spredning af lys og korrekt valg af kvantesimulator, i det væsentlige et materiale, der efterligner de ønskede egenskaber til undersøgelse.

Specifikt fokuserede forskerne på en forbindelse, der længe har været kendt for at have en "ladningstæthedsbølge", nemlig en tilstand, hvor elektroner selvorganiserer sig med en tæthed, der er periodisk i rummet, sagde Burch.

Den grundlæggende teori om denne bølge efterligner komponenter i standardmodellen for partikelfysik, tilføjede han. Men i dette tilfælde er ladningstæthedsbølgen ret speciel, den kommer frem langt over stuetemperatur og involverer modulering af både ladningstætheden og atombanerne. Dette gør det muligt for Higgs Boson, der er forbundet med denne ladningstæthedsbølge, at have yderligere komponenter, nemlig at den kan være aksial, hvilket betyder, at den indeholder vinkelmomentum.

For at afsløre den subtile karakter af denne tilstand, forklarede Burch, at holdet brugte lysspredning, hvor en laser skinner på materialet og kan ændre farve såvel som polarisering. Ændringen i farve skyldes, at lyset skaber Higgs Boson i materialet, mens polariseringen er følsom over for partiklens symmetrikomponenter.

Derudover, gennem korrekt valg af hændelsen og udgående polarisering, kunne partiklen skabes med forskellige komponenter - såsom en fraværende magnetisme eller en komponent, der peger opad. Ved at udnytte et grundlæggende aspekt af kvantemekanikken brugte de det faktum, at for én konfiguration annullerer disse komponenter. Men for en anden konfiguration tilføjer de.

"Som sådan var vi i stand til at afsløre den skjulte magnetiske komponent og bevise opdagelsen af ​​den første aksiale Higgs-tilstand," sagde Burch.

"Detekteringen af ​​den aksiale Higgs blev forudsagt i højenergipartikelfysik for at forklare mørkt stof," sagde Burch. "Den er dog aldrig blevet observeret. Dens optræden i et kondenseret stofsystem var fuldstændig overraskende og varsler opdagelsen af ​​en ny brudt symmetritilstand, som ikke var blevet forudsagt. I modsætning til de ekstreme forhold, der typisk kræves for at observere nye partikler, blev dette gjort kl. stuetemperatur i et bordpladeeksperiment, hvor vi opnår kvantekontrol af tilstanden ved blot at ændre lysets polarisering."

Burch sagde, at de tilsyneladende tilgængelige og ligetil eksperimentelle teknikker, som holdet implementerer, kan bruges til at studere på andre områder.

"Mange af disse eksperimenter blev udført af en bachelor i mit laboratorium," sagde Burch. "Tilgangen kan ligefrem anvendes på kvanteegenskaberne af adskillige kollektive fænomener, herunder tilstande i superledere, magneter, ferroelektrik og ladningstæthedsbølger. Desuden bringer vi studiet af kvanteinterferens i materialer med korrelerede og/eller topologiske faser til stuetemperatur. overvinde vanskeligheden ved ekstreme eksperimentelle forhold."

Ud over Burch inkluderede Boston College medforfattere på rapporten bachelorstuderende Grant McNamara, nyligt doktorgraduat Yiping Wang og post-doc forsker Md Mofazzel Hosen. Wang vandt den bedste afhandling i magnetisme fra American Physical Society, delvist for sit arbejde med projektet, sagde Burch.

Burch sagde, at det var afgørende at trække på den brede vifte af ekspertise blandt forskere fra BC, Harvard University, Princeton University, University of Massachusetts, Amherst, Yale University, University of Washington og det kinesiske videnskabsakademi.

"Dette viser styrken af ​​tværfaglige bestræbelser i at afsløre og kontrollere nye fænomener," sagde Burch. "Det er ikke hver dag, man får optik, kemi, fysisk teori, materialevidenskab og fysik samlet i ét værk." + Udforsk yderligere

Knusende multivers for at løse to fysikgåder på én gang