Znanstvenici su konačno pronašli tragove aksije, neuhvatljive čestice koja rijetko stupa u interakciju s normalnom materijom. Aksija je prvi puta predviđena prije više od 40 godina, ali nikada do sada nije viđena.
Znanstvenici su predložili da tamna tvar, nevidljiva materija koja prožima naš svemir, može biti napravljena od sjekira. Ali umjesto da pronađu aksion tamne materije duboko u svemiru, istraživači su otkrili matematičke potpise aksiona u egzotičnom materijalu ovdje na Zemlji.
Novootkrivena aksion nije baš čestica kao što inače mislimo o njoj: djeluje kao val elektrona u prehlađenom materijalu poznatom kao polumjesec. Ali ovo otkriće mogao bi biti prvi korak u rješavanju jednog od glavnih neriješenih problema u fizici čestica.
Aksija je kandidat za tamnu tvar, jer, baš kao ni tamna tvar, ne može stvarno komunicirati s redovnom materijom. Ta se uzdišnost čini i vrlo ozbiljnom za prepoznati. Ova čudna čestica mogla bi također pomoći u rješavanju dugogodišnje zagonetke u fizici poznate kao "snažni problem CP". Iz nekog razloga, čini se da zakoni fizike djeluju isto na čestice i njihove antimaterijske partnere, čak i kada su im prostorne koordinate obrnute. Taj je fenomen poznat kao simetrija parnosti naboja, ali postojeća teorija fizike kaže da nema razloga da ta simetrija mora postojati. Neočekivana simetrija može se objasniti postojanjem posebnog polja; otkrivanje aksije pokazalo bi postojanje ovog polja, rješavanje ove misterije.
Budući da znanstvenici vjeruju da sablasne, neutralne čestice jedva stupaju u interakciju s običnom materijom, pretpostavili su da bi to bilo teško otkriti pomoću postojećih svemirskih teleskopa. Dakle, istraživači su odlučili pokušati nešto više do Zemlje, koristeći čudan materijal poznat kao kondenzirana tvar.
Eksperimenti sa kondenziranom tvari, poput onog koji su proveli istraživači, korišteni su za "pronalazak" neuhvatljivih predviđenih čestica u nekoliko poznatih slučajeva, uključujući i onaj fermiona majorane. Čestice se ne otkrivaju u uobičajenom smislu, već se umjesto toga nalaze kao kolektivne vibracije u materijalima koji se ponašaju i reagiraju točno onako kako bi čestica imala.
"Problem s gledanjem u svemir je u tome što ne možete dobro kontrolirati eksperimentalno okruženje", rekao je suautor studije Johannes Gooth, fizičar Instituta Max Planck za kemijsku fiziku krutih tvari u Njemačkoj. "Čekate da se dogodi neki događaj i pokušate ga otkriti. Mislim da je jedna od lijepih stvari uvođenja ovih koncepata visokoenergetske fizike u kondenzirane materije to što zapravo možete učiniti mnogo više."
Istraživački tim radio je s Weylovim semimetalom, posebnim i čudnim materijalom u kojem se elektroni ponašaju kao da nemaju masu, ne djeluju međusobno i podijeljeni su u dvije vrste: desničari i ljevoruki. Svojstvo biti desničar ili ljevoruk naziva se hiralnost; hiralnost u Weylovim polimetalama je sačuvana, što znači da postoji jednak broj desnih i lijevih elektrona. Hlađenje polimetala na 12 stupnjeva Farenhejta (minus 11 stupnjeva Celzija) omogućilo je da elektroni međusobno djeluju i da se kondenziraju u vlastiti kristal.
Valovi vibracija koji putuju kroz kristale nazivaju se fononi. Budući da čudni zakoni kvantne mehanike nalažu da se čestice mogu ponašati i kao valovi, postoje određeni fononi koji imaju ista svojstva kao i uobičajene kvantne čestice, poput elektrona i fotona. Gooth i njegovi kolege promatrali su fonene u kristalu elektrona koji su reagirali na električna i magnetska polja točno onako kako se predviđa. Ti kvazipartici također nisu imali jednak broj čestica s desne i lijeve strane. (Fizičari su također predvidjeli da će sjekire razbiti očuvanje kiralnosti.)
"Ohrabruje činjenica da su ove jednadžbe toliko prirodne i uvjerljive da se u prirodi realiziraju u najmanje jednoj okolnosti", rekao je teorijski fizičar MIT-a i nobelovac Frank Wilczek, koji je izvorno nazvao aksionom 1977. "Ako znamo da postoje neke materijala koji drže aksije, pa, možda, materijal koji nazivamo i prostorom, također sadrži sjekire. " Wilczek, koji nije bio uključen u trenutnu studiju, također je sugerirao da se materijal poput Weyl semimetala jednog dana može upotrijebiti kao svojevrsna "antena" za otkrivanje osnovnih aksiona ili aksiona koji sami po sebi postoje kao čestice u svemiru, a ne kao kolektivne vibracije.
Dok će se potraga za aksionom kao neovisnom, usamljenom česticom nastaviti, eksperimenti poput ovog pomažu tradicionalnijim eksperimentima otkrivanja pružajući ograničenja i procjene svojstava čestice, poput mase. To ostalim eksperimentalistima daje bolju predodžbu o tome gdje potražiti te čestice. Također snažno pokazuje da je postojanje čestica moguće.
"Teorija je najprije matematički pojam", rekao je Gooth. "I ljepota ovih eksperimenata fizike kondenziranih tvari je u tome što možemo pokazati da takva vrsta matematike uopće postoji u prirodi."
