Электроны в материале работают вместе, чтобы имитировать предлагаемую фундаментальную частицу. Ученые обнаружили твердое вещество, аналог гипотетических субатомных частиц, называемых аксионами. Внутри кристалла формируется волна различной плотности электромагнитного заряда. Когда эта волна скользит взад и вперед, она математически эквивалентна аксиону.
Физик Йоханнес Гут и его коллеги сообщают о том, что 7 октября в журнале «Природа» скрывается внутри твердого кристалла явление, которое математически сходно с предлагаемыми субатомными частицами, называемыми аксионами.
Если бы аксионы существовали как фундаментальные частицы, они могли бы составить скрытую форму материи в космосе, темную материю. Ученые знают, что темная материя существует благодаря ее гравитационному притяжению, но им еще предстоит определить, что это такое. Аксионы - одна из возможностей, но еще никто не нашел частицы.
Введите подражателей. Аналоги аксионов внутри кристалла представляют собой тип квазичастиц, возмущение в материале, которое может имитировать фундаментальные частицы, такие как аксионы. Квазичастицы являются результатом скоординированного столкновения электронов в твердом материале. Это похоже на то, как птицы в стае, кажется, принимают новые формы, синхронизируя свои движения.
Аксионы были впервые предложены в контексте квантовой хромодинамики - теории, которая объясняет поведение кварков, крошечных частиц, которые содержатся, например, внутри протонов. Аксионы и их новые двойники «математически похожи, но физически совершенно не связаны», - говорит физик-теоретик Хелен Куинн из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, штат Калифорния, один из ученых, которые сформулировали теорию аксионов. Это означает, что ученые не приблизились к решению своих проблем темной материи.
Тем не менее, новое исследование впервые показывает, что это явление живет за пределами простых уравнений, в форме квазичастиц. «Это действительно удивительно», - говорит Гот из Института химической физики Макса Планка в Дрездене, Германия. Идея аксионов - «в некотором смысле, очень математическая концепция, но она все еще существует в реальности».
В новом исследовании исследователи начали с материала, который содержит тип квазичастиц, известных как фермион Вейля , который ведет себя как безмассовый . Когда материал остывает, фермионы Вейля фиксируются на месте, образуя кристалл. Это приводит к тому, что плотность электронов изменяется по регулярному закону поперек материала, подобно стационарной волне электрического заряда, с пиками в волне, соответствующей большему количеству электронов, и падениями, соответствующими меньшему количеству электронов.
Приложение параллельных электрических и магнитных полей к кристаллу заставило волну колебаться назад и вперед. Исследователи говорят, что выплескивание является математическим эквивалентом аксиона.
Чтобы подтвердить, что происходило выплескивание, команда измерила электрический ток через кристалл. Этот ток быстро рос, когда исследователи увеличили напряженность электрического поля, и это отпечаток аксионных квазичастиц.
Если ученые изменили направление магнитного поля так, чтобы оно больше не выровнялось с электрическим полем, усиленный рост электрического тока был потерян, что указывало на исчезновение квазичастиц аксиона. «Этот материал ведет себя именно так, как и следовало ожидать», - говорит Гот.