Fysikere oppdager unnvikende ny partikkel gjennom et bordeksperiment


Aksial Higgs-modus

Et tverrfaglig team ledet av Boston College-fysikere har oppdaget en ny partikkel – eller en tidligere uoppdagelig kvanteeksitasjon – kjent som den aksiale Higgs-modusen, en magnetisk slektning til den massedefinerende Higgs Boson-partikkelen, rapporterer teamet i tidsskriftet Nature. Kreditt: Nature

Materialer som inneholder den aksiale Higgs-modusen kan tjene som kvantesensorer for å evaluere andre kvantesystemer og bidra til å svare på vedvarende spørsmål innen partikkelfysikk.

Ifølge Standard modell for partikkelfysikk, forskernes nåværende beste teori for å beskrive de mest grunnleggende byggesteinene i universet, partikler kalt kvarker (som utgjør protoner og nøytroner) og leptoner (som inkluderer elektroner) utgjør all kjent materie. Kraftbærende partikler, som tilhører en bredere gruppe bosoner, påvirker kvarkene og leptonene.

Til tross for suksessen til standardmodellen med å forklare universet, har den sine begrensninger. Mørk materie og mørk energi er to eksempler, og det er mulig at nye partikler, som ennå ikke er oppdaget, til slutt kan løse disse gåtene.

I dag kunngjorde et tverrfaglig team av forskere ledet av Boston College-fysikere at de har oppdaget en ny partikkel – eller tidligere uoppdagbar kvanteeksitasjon – kjent som den aksiale Higgs-modusen, en magnetisk slektning til den massedefinerende Higgs Boson-partikkelen. Teamet publiserte rapporten sin i dag (8. juni 2022) i nettutgaven av tidsskriftet Natur.

Oppdagelsen for et tiår siden av den lenge ettersøkte Higgs Boson ble sentral i forståelsen av masse. I motsetning til sin overordnede, har aksial Higgs-modus et magnetisk moment, og det krever en mer kompleks form av teorien for å forklare dens egenskaper, sa Boston College professor i fysikk Kenneth Burch, en hovedforfatter av rapporten “Axial Higgs Mode Detected by Quantum Pathway Interference i RTe3.”

Teorier som spådde eksistensen av en slik modus har blitt påberopt for å forklare “mørk materie“, det nesten usynlige materialet som utgjør mye av universet, men som bare åpenbarer seg via tyngdekraften, sa Burch.

Higgs-bosonet er den fundamentale partikkelen knyttet til Higgs-feltet, et felt som gir masse til andre fundamentale partikler som elektroner og kvarker. En partikkels masse bestemmer hvor mye den motstår å endre hastighet eller posisjon når den møter en kraft.

Mens Higgs Boson ble avslørt av eksperimenter i en massiv partikkelkolliderer, fokuserte teamet på RTe3eller sjeldne jordarters tritellurid, et godt studert kvantemateriale som kan undersøkes ved romtemperatur i et “bordplate” eksperimentelt format.

“Det er ikke hver dag du finner en ny partikkel som sitter på bordplaten,” sa Burch.

RTe3 har egenskaper som etterligner teorien som produserer den aksiale Higgs-modusen, sa Burch. Men den sentrale utfordringen med å finne Higgs-partikler generelt er deres svake kobling til eksperimentelle sonder, for eksempel lysstråler, sa han. På samme måte krever det å avsløre de subtile kvanteegenskapene til partikler vanligvis ganske komplekse eksperimentelle oppsett, inkludert enorme magneter og kraftige lasere, mens prøver avkjøles til ekstremt kalde temperaturer.

Teamet rapporterer at det overvant disse utfordringene gjennom den unike bruken av spredning av lys og riktig valg av kvantesimulator, i hovedsak et materiale som etterligner de ønskede egenskapene for studier.

Spesielt fokuserte forskerne på en forbindelse lenge kjent for å ha en “ladningstetthetsbølge”, nemlig en tilstand der elektroner selvorganiserer seg med en tetthet som er periodisk i rommet, sa Burch.

Den grunnleggende teorien om denne bølgen etterligner komponenter i standardmodellen for partikkelfysikk, la han til. Men i dette tilfellet er ladningstetthetsbølgen ganske spesiell, den kommer frem langt over romtemperatur og involverer modulering av både ladningstettheten og atombanene. Dette gjør at Higgs Boson assosiert med denne ladningstetthetsbølgen kan ha tilleggskomponenter, nemlig at den kan være aksial, noe som betyr at den inneholder vinkelmoment.

For å avsløre den subtile naturen til denne modusen, forklarte Burch at teamet brukte lysspredning, der en laser skinner på materialet og kan endre farge så vel som polarisering. Endringen i farge skyldes at lyset skaper Higgs-bosonet i materialet, mens polarisasjonen er følsom for partikkelens symmetrikomponenter.

I tillegg, gjennom riktig valg av hendelsen og utgående polarisering, kan partikkelen lages med forskjellige komponenter – for eksempel en fraværende magnetisme, eller en komponent som peker opp. Ved å utnytte et grunnleggende aspekt ved kvantemekanikk, brukte de det faktum at for én konfigurasjon kansellerer disse komponentene. Men for en annen konfigurasjon legger de til.

“Som sådan var vi i stand til å avsløre den skjulte magnetiske komponenten og bevise oppdagelsen av den første aksiale Higgs-modusen,” sa Burch.

“Deteksjonen av den aksiale Higgs ble spådd i høyenergipartikkelfysikk for å forklare mørk materie,” sa Burch. “Det har imidlertid aldri blitt observert. Dens opptreden i et kondensert materiesystem var fullstendig overraskende og varsler oppdagelsen av en ny ødelagt symmetritilstand som ikke hadde blitt forutsagt. I motsetning til de ekstreme forholdene som vanligvis kreves for å observere nye partikler, ble dette gjort ved romtemperatur i et bordeksperiment der vi oppnår kvantekontroll av modusen ved å bare endre lysets polarisering.”

Burch sa at de tilsynelatende tilgjengelige og enkle eksperimentelle teknikkene som ble brukt av teamet, kan brukes til å studere på andre områder.

“Mange av disse eksperimentene ble utført av en undergraduate i laboratoriet mitt,” sa Burch. “Tilnærmingen kan enkelt brukes på kvanteegenskapene til en rekke kollektive fenomener, inkludert moduser i superledere, magneter, ferroelektrikk og ladningstetthetsbølger. Videre bringer vi studiet av kvanteinterferens i materialer med korrelerte og/eller topologiske faser til romtemperatur for å overvinne vanskeligheten med ekstreme eksperimentelle forhold.

I tillegg til Burch inkluderte Boston College medforfattere på rapporten studenter Grant McNamara, nylig doktorgradsutdannet Yiping Wang og postdoktor Md Mofazzel Hosen. Wang vant den beste avhandlingen i magnetisme fra American Physical Society, delvis for sitt arbeid med prosjektet, sa Burch.

Burch sa at det var avgjørende å trekke på det brede spekteret av ekspertise blant forskere fra BC, Harvard University,[{” attribute=””>Princeton University, the University of Massachusetts, Amherst,

Reference: “Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe3” by Yiping Wang, Ioannis Petrides, Grant McNamara, Md Mofazzel Hosen, Shiming Lei, Yueh-Chun Wu, James L. Hart, Hongyan Lv, Jun Yan, Di Xiao, Judy J. Cha, Prineha Narang, Leslie M. Schoop and Kenneth S. Burch, 8 June 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04746-6

Funding: U.S. Department of Energy