Een interdisciplinair team onder leiding van natuurkundigen van Boston College heeft een nieuw deeltje ontdekt - of voorheen niet-detecteerbare kwantumexcitatie - bekend als de axiale Higgs-modus, een magnetisch familielid van het massabepalende Higgs Boson-deeltje, meldt het team in de online editie van het tijdschrift Natuur .

De ontdekking tien jaar geleden van het lang gezochte Higgs Boson werd centraal in het begrip van massa. In tegenstelling tot zijn ouder heeft de axiale Higgs-modus een magnetisch moment, en dat vereist een complexere vorm van de theorie om de eigenschappen ervan te verklaren, zei Boston College Professor of Physics Kenneth Burch, een hoofdauteur van het rapport "Axial Higgs Mode Detected by Quantum Pathway Interferentie in RTe3."

Theorieën die het bestaan ​​van een dergelijke modus voorspelden, zijn ingeroepen om 'donkere materie' te verklaren, het bijna onzichtbare materiaal dat een groot deel van het universum vormt, maar zich alleen openbaart via de zwaartekracht, zei Burch.

Terwijl Higgs Boson werd onthuld door experimenten in een enorme deeltjesversneller, concentreerde het team zich op RTe3, of tritelluride van zeldzame aarde, een goed bestudeerd kwantummateriaal dat bij kamertemperatuur kan worden onderzocht in een "tabletop" experimenteel formaat.

"Je vindt niet elke dag een nieuw deeltje op je tafelblad," zei Burch.

RTe3 heeft eigenschappen die de theorie nabootsen die de axiale Higgs-modus produceert, zei Burch. Maar de centrale uitdaging bij het vinden van Higgs-deeltjes in het algemeen is hun zwakke koppeling met experimentele sondes, zoals lichtstralen, zei hij. Evenzo vereist het onthullen van de subtiele kwantumeigenschappen van deeltjes meestal vrij complexe experimentele opstellingen, waaronder enorme magneten en krachtige lasers, terwijl monsters worden gekoeld tot extreem lage temperaturen.

Het team meldt dat het deze uitdagingen heeft overwonnen door het unieke gebruik van de verstrooiing van licht en de juiste keuze van een kwantumsimulator, in wezen een materiaal dat de gewenste eigenschappen voor studie nabootst.

In het bijzonder concentreerden de onderzoekers zich op een verbinding waarvan al lang bekend is dat deze een "ladingsdichtheidsgolf" bezit, namelijk een toestand waarin elektronen zichzelf organiseren met een dichtheid die periodiek is in de ruimte, zei Burch.

De fundamentele theorie van deze golf bootst componenten van het standaardmodel van de deeltjesfysica na, voegde hij eraan toe. In dit geval is de ladingsdichtheidsgolf echter heel bijzonder, hij komt ver boven kamertemperatuur en omvat modulatie van zowel de ladingsdichtheid als de atomaire banen. Hierdoor kan het Higgs-deeltje dat bij deze ladingsdichtheidsgolf hoort, extra componenten hebben, namelijk dat het axiaal kan zijn, wat betekent dat het impulsmoment bevat.

Om de subtiele aard van deze modus te onthullen, legde Burch uit dat het team lichtverstrooiing gebruikte, waarbij een laser op het materiaal schijnt en zowel van kleur als polarisatie kan veranderen. De kleurverandering is het gevolg van het licht dat het Higgs-deeltje in het materiaal creëert, terwijl de polarisatie gevoelig is voor de symmetriecomponenten van het deeltje.

Door de juiste keuze van de invallende en uitgaande polarisatie kan het deeltje bovendien worden gecreëerd met verschillende componenten, zoals één afwezig magnetisme of een component die naar boven wijst. Gebruikmakend van een fundamenteel aspect van de kwantummechanica, gebruikten ze het feit dat deze componenten voor één configuratie annuleren. Voor een andere configuratie voegen ze echter toe.

"Als zodanig waren we in staat om de verborgen magnetische component te onthullen en de ontdekking van de eerste axiale Higgs-modus te bewijzen," zei Burch.

"De detectie van het axiale Higgs werd voorspeld in de hoogenergetische deeltjesfysica om donkere materie te verklaren," zei Burch. "Het is echter nooit waargenomen. Zijn verschijning in een systeem van gecondenseerde materie was volkomen verrassend en luidt de ontdekking van een nieuwe staat van gebroken symmetrie in die niet was voorspeld. kamertemperatuur in een tafelmodelexperiment waarbij we kwantumcontrole van de modus bereiken door alleen de polarisatie van licht te veranderen."

Burch zei dat de schijnbaar toegankelijke en ongecompliceerde experimentele technieken die door het team zijn ingezet, kunnen worden toegepast om op andere gebieden te studeren.

"Veel van deze experimenten werden uitgevoerd door een student in mijn laboratorium," zei Burch. "De benadering kan eenvoudig worden toegepast op de kwantumeigenschappen van talrijke collectieve fenomenen, waaronder modi in supergeleiders, magneten, ferro-elektriciteit en ladingsdichtheidsgolven. Bovendien brengen we de studie van kwantuminterferentie in materialen met gecorreleerde en / of topologische fasen op kamertemperatuur het overwinnen van de moeilijkheid van extreme experimentele omstandigheden."

Naast Burch waren de co-auteurs van het Boston College van het rapport onder meer de niet-gegradueerde student Grant McNamara, de recent gepromoveerde Yiping Wang en de postdoctorale onderzoeker Md Mofazzel Hosen. Wang won de Best Dissertation in Magnetism van de American Physical Society, deels voor haar werk aan het project, zei Burch.

Burch zei dat het cruciaal was om gebruik te maken van de brede expertise van onderzoekers van BC, Harvard University, Princeton University, University of Massachusetts, Amherst, Yale University, University of Washington en de Chinese Academy of Sciences.

"Dit toont de kracht van interdisciplinaire inspanningen bij het onthullen en beheersen van nieuwe verschijnselen," zei Burch. "Het gebeurt niet elke dag dat je optica, scheikunde, natuurkunde, materiaalkunde en natuurkunde samenbrengt in één werk." + Verder verkennen

Knarsend multiversum om twee natuurkundige puzzels tegelijk op te lossen