Οι επιστήμονες έχουν βρει τελικά ίχνη του axion, ένα αόρατο σωματίδιο που σπάνια αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη. Το άξον είχε αρχικά προβλεφθεί πριν από 40 χρόνια, αλλά μέχρι τώρα δεν έχει δει ποτέ.
Οι επιστήμονες έχουν προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη, η αόρατη ύλη που διαπερνά το σύμπαν μας, μπορεί να αποτελείται από αξόνια. Αλλά αντί να βρουν ένα άξονα σκοτεινής ύλης βαθιά στο διάστημα, οι ερευνητές έχουν ανακαλύψει μαθηματικές υπογραφές ενός αξόνου σε ένα εξωτικό υλικό εδώ στη Γη.
Το πρόσφατα ανακαλυφθέν άξονιο δεν είναι αρκετά σωματίδιο, όπως συνήθως το σκεφτόμαστε: Λειτουργεί σαν ένα κύμα ηλεκτρονίων σε ένα υπερψυχθέν υλικό που είναι γνωστό ως ημιμετάλλευμα. Αλλά η ανακάλυψη θα μπορούσε να είναι το πρώτο βήμα στην αντιμετώπιση ενός από τα σημαντικότερα άλυτα προβλήματα της φυσικής των σωματιδίων.
Το αξόνιο είναι υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη, αφού, όπως και η σκοτεινή ύλη, δεν μπορεί πραγματικά να αλληλεπιδράσει με την κανονική ύλη. Αυτή η απόλαυση καθιστά το axion, αν υπάρχει, εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστεί. Αυτό το περίεργο σωματίδιο θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην επίλυση ενός μακρόχρονου αδιαμφισβήτητου θέματος στη φυσική που είναι γνωστό ως "το ισχυρό πρόβλημα του CP". Για κάποιο λόγο, οι φυσικοί νόμοι φαίνεται να δρουν το ίδιο στα σωματίδια και στους συνεργάτες τους με αντιύλη, ακόμη και όταν οι χωρικές συντεταγμένες τους είναι ανεστραμμένες. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως συμμετρία φορτίου-ισοτιμίας, αλλά η υπάρχουσα θεωρία φυσικής λέει ότι δεν υπάρχει λόγος υπάρχουν. Η απρόσμενη συμμετρία μπορεί να εξηγηθεί από την ύπαρξη ενός ειδικού πεδίου. η ανίχνευση ενός άξονου θα αποδείξει ότι υπάρχει αυτό το πεδίο, επιλύοντας αυτό το μυστήριο.
Επειδή οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το φαινομενικό, ουδέτερο σωματίδιο μόλις αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη, έχουν υποθέσει ότι θα ήταν δύσκολο να εντοπιστεί χρησιμοποιώντας υπάρχοντα διαστημικά τηλεσκόπια. Έτσι, οι ερευνητές αποφάσισαν να δοκιμάσουν κάτι πιο κάτω στη Γη, χρησιμοποιώντας ένα παράξενο υλικό γνωστό ως συμπυκνωμένη ύλη.
Τα πειράματα συμπυκνωμένης ύλης, όπως αυτή που διεξήγαγαν οι ερευνητές, χρησιμοποιήθηκαν για να "βρουν" αόριστα προβλεπόμενα σωματίδια σε αρκετές γνωστές περιπτώσεις, συμπεριλαμβανομένης και της φερμιόνιας Majorana. Τα σωματίδια δεν ανιχνεύονται με τη συνήθη έννοια, αλλά συναντώνται ως συλλογικές δονήσεις σε υλικά που συμπεριφέρονται και ανταποκρίνονται ακριβώς όπως το σωματίδιο.
"Το πρόβλημα με την εξέταση του εξωτερικού χώρου είναι ότι δεν μπορείτε να ελέγξετε πολύ καλά το πειραματικό περιβάλλον σας", δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Johannes Gooth, φυσικός στο Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids στη Γερμανία. "Περιμένετε να συμβεί ένα γεγονός και προσπαθήστε να το ανιχνεύσετε. Νομίζω ότι ένα από τα όμορφα πράγματα που παίρνετε αυτές τις έννοιες της φυσικής υψηλής ενέργειας σε συμπυκνωμένη ύλη είναι ότι μπορείτε πραγματικά να κάνετε πολλά περισσότερα".
Η ερευνητική ομάδα συνεργάστηκε με ένα ημίμετρο Weyl, ένα ειδικό και παράξενο υλικό στο οποίο τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν να μην έχουν μάζα, να μην αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και να χωρίζονται σε δύο τύπους: δεξιόχειρες και αριστερόχειρες. Η ιδιότητα του να είναι είτε δεξιό είτε αριστερόχειρο ονομάζεται χειρομορφία. η χειραλότητα στα Weyl semimetals διατηρείται, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχουν ίσοι αριθμοί ηλεκτρονίων δεξιά και αριστερά. Η ψύξη του ημιμετάλλου στους 12 βαθμούς Φαρενάιτ (μείον 11 βαθμούς Κελσίου) επέτρεψε στα ηλεκτρόνια να αλληλεπιδρούν και να συμπυκνώνονται σε ένα δικό τους κρύσταλλο.
Κύματα δονήσεων που διέρχονται από κρυστάλλους καλούνται φωνόνια. Δεδομένου ότι οι περίεργοι νόμοι της κβαντικής μηχανικής υπαγορεύουν ότι τα σωματίδια μπορούν επίσης να συμπεριφέρονται ως κύματα, υπάρχουν ορισμένα φωνόνια που έχουν τις ίδιες ιδιότητες με τα κοινά κβαντικά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Ο Gooth και οι συνάδελφοί του παρακολούθησαν τα φωνόνια στο ηλεκτρονικό κρύσταλλο που απάντησαν σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, όπως ακριβώς προβλέπουν τα αξόνια. Αυτά τα quasiparticles επίσης δεν είχαν ίσο αριθμό σωματιδίων δεξιά και αριστερά. (Οι φυσικοί πρόβλεψαν επίσης ότι οι axions θα έσπαζαν τη διατήρηση της χειρότητας.)
"Είναι ενθαρρυντικό το γεγονός ότι αυτές οι εξισώσεις είναι τόσο φυσικές και συναρπαστικές που πραγματοποιούνται στη φύση τουλάχιστον σε μια περίσταση", δήλωσε ο θεωρητικός φυσικός του MIT και ο βραβευμένος με Νόμπελ Frank Wylczek, ο οποίος αρχικά ονόμασε το axion το 1977. "Αν γνωρίζουμε ότι υπάρχουν κάποια τα υλικά που φιλοξενούν axions, καλά, ίσως το υλικό που ονομάζουμε χώρο φιλοξενεί και axions. " Ο Wilczek, ο οποίος δεν συμμετείχε στην παρούσα μελέτη, πρότεινε επίσης ότι ένα υλικό όπως το Weyl semimetal θα μπορούσε μία μέρα να χρησιμοποιηθεί ως ένα είδος «κεραίας» για την ανίχνευση θεμελιωδών αξόνων ή αξόνων που υφίστανται από μόνα τους ως σωματίδια στο σύμπαν, και όχι ως συλλογικές δονήσεις.
Ενώ η αναζήτηση του axion ως ανεξάρτητου μοναχικού σωματιδίου θα συνεχιστεί, πειράματα όπως αυτό βοηθούν πιο παραδοσιακά πειράματα ανίχνευσης παρέχοντας όρια και εκτιμήσεις των ιδιοτήτων του σωματιδίου, όπως η μάζα. Αυτό δίνει σε άλλους πειραματιστές μια καλύτερη ιδέα για το πού να αναζητήσουν αυτά τα σωματίδια. Δείχνει επίσης έντονα ότι η ύπαρξη σωματιδίων είναι δυνατή.
"Μια πρώτη θεωρία είναι μια μαθηματική έννοια", δήλωσε ο Gooth. "Και η ομορφιά αυτών των πειραμάτων φυσικής συμπυκνωμένης ύλης είναι ότι μπορούμε να δείξουμε ότι αυτό το είδος μαθηματικών υπάρχει στη φύση καθόλου".
