Forskere har oppdaget en ny partikkel som er en magnetisk slektning av Higgs boson. Mens oppdagelsen av Higgs-bosonet krevde den enorme partikkelakselererende kraften til Large Hadron Collider (LHC), ble denne aldri tidligere sett partikkelen – kalt den aksiale Higgs-bosonen – funnet ved hjelp av et eksperiment som passet på en liten kjøkkenbenk. .
I tillegg til å være en første i seg selv, kan denne magnetiske fetteren til Higgs-bosonet – partikkelen som er ansvarlig for å gi andre partikler massen deres – være en kandidat for mørk materie, som utgjør 85 %t av universets totale masse, men bare åpenbarer seg gjennom tyngdekraften.
“Da studenten min viste meg dataene, trodde jeg at hun måtte ta feil,” sa Kenneth Burch, professor i fysikk ved Boston College og hovedforsker for teamet som gjorde oppdagelsen, til WordsSideKick.com. “Det er ikke hver dag du finner en ny partikkel på bordplaten.”
Det aksiale Higgs-bosonet skiller seg fra Higgs-bosonet, som først ble oppdaget av ATLAS og CMS detektorer ved LHC for et tiår siden i 2012, fordi den har et magnetisk moment, en magnetisk styrke eller orientering som skaper et magnetfelt. Som sådan krever det en mer kompleks teori for å beskrive den enn dens ikke-magnetiske massebevilgende fetter.
I standardmodellen for partikkelfysikk dukker det opp partikler fra forskjellige felt som gjennomsyrer universet, og noen av disse partiklene former universets grunnleggende krefter. For eksempel medierer fotoner elektromagnetisme, og heftige partikler kjent som W- og Z-bosoner formidler den svake kjernekraften, som styrer kjernefysisk forfall på subatomære nivåer. Da universet var ungt og varmt, var imidlertid elektromagnetisme og svak kraft én ting, og alle disse partiklene var nesten identiske. Da universet ble avkjølt, delte den elektrosvake kraften seg, noe som førte til at W- og Z-bosonene fikk masse og oppførte seg veldig annerledes enn fotoner, en prosess fysikere har kalt “symmetribrudd”. Men hvordan ble disse svak-kraft-medierende partiklene så tunge?
Det viser seg at disse partiklene interagerte med et eget felt, kjent som Higgs-feltet. Forstyrrelser i det feltet ga opphav til Higgs-bosonen og ga W- og Z-bosonene deres tyngde.
I slekt:
Higgs-bosonet produseres i naturen når en slik symmetri brytes, . “Men vanligvis brytes bare en symmetri om gangen, og dermed er Higgs bare beskrevet av energien,” sa Burch.
Teorien bak det aksiale Higgs-bosonet er mer komplisert.
“Når det gjelder det aksiale Higgs-bosonet, ser det ut til at flere symmetrier er brutt sammen, noe som fører til en ny form for teorien og en Higgs-modus [the specific oscillations of a quantum field like the Higgs field] som krever flere parametere for å beskrive det: spesifikt energi og magnetisk momentum,” sa Burch.
Burch, som sammen med kolleger beskrev den nye magnetiske Higgs-fetteren i en studie publisert onsdag (8. juni) i tidsskriftet Natur, forklarte at det originale Higgs-bosonet ikke kobles direkte med lys, noe som betyr at det må lages ved å knuse andre partikler sammen med enorme magneter og kraftige lasere, samtidig som prøver avkjøles til ekstremt kalde temperaturer. Det er forfallet av de originale partiklene til andre som dukker flyktig inn i eksistensen som avslører tilstedeværelsen til Higgs.
Den aksiale Higgs-bosonen, derimot, oppsto da romtemperatur-kvantematerialer etterlignet et spesifikt sett med oscillasjoner, kalt den aksiale Higgs-modus. Forskere brukte deretter spredning av lys for å observere partikkelen.
“Vi fant det aksiale Higgs-bosonet ved å bruke et bordoptikkeksperiment som sitter på et bord som måler omtrent 1 x 1 meter ved å fokusere på et materiale med en unik kombinasjon av egenskaper,” fortsatte Burch. “Spesielt brukte vi sjeldne jordarters tritelluride (RTe3) [a quantum material with a highly 2D crystal structure]. Elektronene i RTe3 organiserer seg selv til en bølge hvor tettheten til ladningen periodisk forsterkes eller reduseres.”
Størrelsen på disse ladningstetthetsbølgene, som kommer over romtemperatur, kan moduleres over tid, og produsere den aksiale Higgs-modusen.
I den nye studien opprettet teamet den aksiale Higgs-modusen ved å sende laserlys i én farge inn i RTe3-krystallen. Lyset spredte seg og endret seg til en farge med lavere frekvens i en prosess kjent som Raman-spredning, og energien som gikk tapt under fargeendringen skapte den aksiale Higgs-modusen. Teamet roterte deretter krystallen og fant ut at den aksiale Higgs-modusen også kontrollerer vinkelmomentet til elektronene, eller hastigheten som de beveger seg i en sirkel, i materialet som betyr at denne modusen også må være magnetisk.
“Opprinnelig undersøkte vi ganske enkelt lysspredningsegenskapene til dette materialet. Da vi nøye undersøkte symmetrien til responsen – hvordan den var forskjellig da vi roterte prøven – oppdaget vi unormale endringer som var de første hintene til noe nytt,” forklarte Burch. “Som sådan er det den første slike magnetiske Higgs som ble oppdaget og indikerer at den kollektive oppførselen til elektronene i RTe3 er ulik noen tilstand tidligere sett i naturen.”
Partikkelfysikere hadde tidligere spådd en aksial Higgs-modus og til og med brukt den til å forklare mørk materie, men dette er første gang det er observert. Dette er også første gang forskere har observert en tilstand med flere ødelagte symmetrier.
Symmetribrudd oppstår når et symmetrisk system som fremstår likt i alle retninger blir asymmetrisk. Oregon University foreslår å tenke på dette som en spinnende mynt som har to mulige tilstander. Mynten faller til slutt ned på hodet eller haleflaten og frigjør energi og blir asymmetrisk.
Det faktum at denne doble symmetribryteren fortsatt stikker sammen med gjeldende fysikkteorier er spennende, fordi det kan være en måte å lage hittil usynlige partikler som kan forklare mørk materie.
“Den grunnleggende ideen er at for å forklare mørk materie trenger du en teori som samsvarer med eksisterende partikkeleksperimenter, men som produserer nye partikler som ennå ikke er sett,” sa Burch.
Å legge til denne ekstra symmetribrytningen via den aksiale Higgs-modusen er en måte å oppnå det på, sa han. Til tross for å ha blitt spådd av fysikere, kom observasjonen av det aksiale Higgs-bosonet som en overraskelse for teamet, og de brukte et år på å prøve å bekrefte resultatene, sa Burch.
Opprinnelig publisert på Live Science.