Физици откриват неуловима нова частица чрез настолен експеримент

Интердисциплинарен екип откри нова частица, която е магнитен роднина на Хигс бозона.

Докато откриването на Хигс бозона бе нужна огромната ускоряваща сила на частиците на Големия адронен ускорител (LHC), тази невиждана досега частица - наречена аксиален Хигс бозон - бе открита с помощта на експеримент, който щеше да се побере на плота на бюро.

Освен че е уникална сама по себе си, тази частица - магнитен братовчед на бозона на Хигс - частицата, отговорна за придаването на масата на други частици - може да бъде кандидат за частица на тъмната материя, която представлява 85% от общата маса на Вселената, но се проявява само чрез гравитацията.

Аксиалният бозон на Хигс се различава от Хигс бозона, който за първи път беше открит от детекторите ATLAS и CMS в LHC преди десетилетие през 2012 г., тъй като има магнитен момент, магнитна сила или ориентация, която създава магнитно поле. Като такъв, той изисква по-сложна теория, която да го опише от неговия братовчед с немагнитна маса, придаващ маса.

Как частиците придобиват маса в полето на Хигс

^{Eдна опростена аналогия:
Представете си, че цялата Вселена е пълна до горе с пластична глина, през която си проправят път безмасовите частици – по по-бързите изпитват по-малко съпротивление, по-бавните – стават по-масивни, а тези, които се движат със скоростта на светлината минават, без да бъдат повлияни.}

В Стандартния модел на физиката на елементарните частици се появяват частици от различни полета, които проникват във Вселената и някои от тези частици формират фундаменталните сили на Вселената. Например фотоните пренасят електромагнетизма, а големите частици, известни като W и Z бозони, посредничат на слабото взаимодействие, което управлява ядрения разпад на субатомно ниво. Когато Вселената е била млада и гореща обаче, електромагнетизмът и слабото взаимодействие са били една сила и всички тези частици са били почти идентични. С охлаждането на Вселената електрослабата сила се разделя, което кара W и Z бозоните да натрупат маса и да се държат много различно от фотоните, процес, който физиците наричат „нарушаване на симетрията“. Но как точно тези частици, медииращи слабото взаимодействие, са станали толкова масивни?

Оказва се, че тези частици са взаимодействали с поле, известно като полето на Хигс. Смущенията в това поле водят до бозона на Хигс и придават масата на W и Z бозоните. 

Бозонът на Хигс се произвежда в природата, когато такава симетрия е нарушена. Но обикновено само една симетрия се нарушава в даден момент и по този начин Хигс се описва просто от неговата енергия.

Теорията зад аксиалния Хигс бозон е по-сложна.

В случая на аксиалния Хигс бозон изглежда, че множество симетрии се нарушават едновременно, което води до нова форма на теорията и режим на Хигс  - специфичните трептения на квантово поле като полето на Хигс - което изисква множество параметри, които да го опишат, по-специално енергия и магнитен импулс.

Кенет Бърч (Kenneth Burch), професор по физика в Бостънския колеж и водещ изследовател на екипа, който описва новия магнитен братовчед на Хигс в проучване, публикувано в сряда, 8 юни, в списание Nature, обяснява, че оригиналният Хигс бозон не се свързва директно със светлината, което означава, че трябва да бъде създаден чрез разбиване на други частици заедно с огромни магнити и мощни лазери, охлаждайки същевременно пробите до изключително ниски температури. Именно разпадането на онези оригинални частици в други, които се появяват мимолетно, разкрива присъствието на Хигс.

Аксиалният Хигс бозон, от друга страна, възниква, когато квантовите материали при стайна температура имитират специфичен набор от трептения, наречен аксиален режим на Хигс. След това изследователите използват разсейването на светлината, за да наблюдават частицата.

„Открихме аксиалния Хигс бозон, използвайки експеримент с настолна оптика на маса с размери около метър на метър, като се фокусирахме върху материал с уникална комбинация от свойства“, продължава Бърч. „По-конкретно ние използвахме редкоземния трителурид RTe₃ [квантов материал със силно 2D кристална структура]. Електроните в RTe₃ се самоорганизират във вълна, при която плътността на заряда периодично се увеличава или намалява.“

^{Структура на кристал RTe₃ и представителни раманови спектри (а) RTe₃ кристална структура и единична клетка (с черни линии). (b) PX (оранжево) и Py (синьо) орбитали в слоя Te (телур). (c) Повърхност на Ферми с орбитално съдържание, обозначено със същите цветове като в (b). (d)300K Раманoви спектри на GdTe₃. Най-горната диаграма е направена в паралелна линейна поляризация, с падаща и разсеяна светлина, подравнена с различна кристална ос. Режимът на Хигс е шрихован. Долната диаграма е взета в напречна линейна поляризация, за падаща светлина, подравнена с посоката a’(45 градуса извън a-ос) и разпръсната светлина по посока b’(45 градуса извън a-ос) (зелена плътна линия). При смяна на падащата и разсеяната поляризация (прекъсната линия), отговорът на всички фононни режими е идентичен, докато амплитудният режим е потиснат. CDW - вълни на плътността на заряда. Кредит: Yiping Wang et al.}

Размерът на тези вълни на плътност на заряда, които се появяват над стайна температура, може да бъде модулиран с течение на времето, произвеждайки аксиален режим на Хигс.

В новото проучване екипът създава аксиалния режим на Хигс, изпращайки лазерна светлина с един цвят в кристала RTe₃. Светлината се разпръсква и се променя в цвят с по-ниска честота в процес, известен като Раманово разсейване, а енергията, загубена по време на промяната на цвета, създава аксиален режим на Хигс. След това екипът завърта кристала и установява, че аксиалният режим на Хигс контролира и ъгловия импулс на електроните или скоростта, с която те се движат в кръг, което означава, че този режим също трябва да бъде магнитен.

„Първоначално ние просто изследвахме свойствата на разсейване на светлината на този материал. Когато внимателно изследвахме симетрията на отговора - как се различаваше, докато завъртахме пробата - открихме аномални промени, които бяха първоначалните намеци за нещо ново", обяснява Бърч. „Като такъв, това е първият такъв магнитен Хигс, който е открит и показва, че колективното поведение на електроните в RTe₃ е различно от всяко състояние, наблюдавано преди това в природата."

Физиците на елементарните частици са предвиждали теоретично аксиалния режим на Хигс и дори са го използвали, за да обяснят тъмната материя, но сега за първи път е наблюдаван. Това е и първият път, когато учените наблюдават състояние с множество нарушени симетрии.

Нарушаването на симетрията се случва, когато симетрична система, която изглежда еднаква във всички посоки, стане асиметрична. Университетът в Орегон предлага да се мисли за това като за въртяща се монета, която има две възможни състояния. В крайна сметка монетата пада върху или ези, или тува, като по този начин освобождава енергия и става асиметрична.

Фактът, че това двойно нарушаване на симетрията все още се съчетава с настоящите физични теории, е вълнуващ, защото може да бъде начин за създаване на невиждани досега частици, които биха могли да обяснят тъмната материя.

„Основната идея е, че за да се обясни тъмната материя, се нуждаем от теория, съответстваща на съществуващите експерименти с частици, но произвеждаща нови частици, които все още не са виждани“, отбелязва Бърч.

Добавянето на това допълнително нарушаване на симетрията чрез аксиалния режим на Хигс е един от начините да се постигне това, смята физикът.

Въпреки че имаше прогноза за съществуването му, наблюдението на аксиалния Хигс бозон бе изненада за екипа и те прекарват една година в опити да проверят резултатите си, съобщава Бърч.

Справка: “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, https://arxiv.org/pdf/2112.02454.pdf 

Източник: Physicists discover never-before seen particle sitting on a tabletop
Robert Lea, Live Science

Още по темата

25/03/2022

Физика

Масивните гравитони - връстници на Хигс бозона и подходящи кандидати за тъмна материя?

20/09/2018

Физика

Намирането на двойки Хигс бозони може да разкрие нова физика

06/06/2018

Физика

Хигс бозонът с най-тежката частица в най-силното взаимодействие може да обясни откъде идва масата

10/03/2015

Физика

Хигс бозонът може би се разпада на частици тъмна материя