Znanstveniki so končno našli sledi aksona, nedostopnega delca, ki redko posega v normalno snov. Aksiono so prvič napovedali pred več kot 40 leti, vendar je do zdaj še niso videli.
Znanstveniki so predlagali, da je temna snov, nevidna snov, ki prežema naše vesolje, lahko narejena iz osi. A namesto da bi našli aksion temne snovi globoko v vesolju, so raziskovalci odkrili matematične podpise aksiona v eksotičnem materialu tukaj na Zemlji.
Na novo odkrita aksija ni ravno delček, kot si običajno mislimo: Deluje kot val elektronov v prehlajenem materialu, znanem kot polimetal. Toda odkritje bi lahko bil prvi korak pri reševanju enega največjih nerešenih problemov v fiziki delcev.
Aksion je kandidat za temno snov, saj tako kot temna snov ne more zares vplivati na redno snov. Zaradi te oddaljenosti je tudi os, če obstaja, izjemno težko zaznati. Ta nenavadni delček bi lahko pomagal rešiti tudi dolgoletno zagonetko v fiziki, znano kot "močan problem CP". Iz nekaterih razlogov se zdi, da zakoni fizike delujejo enako na delce in njihove partnerje proti krčmi, tudi če so njihove prostorske koordinate obrnjene. Ta pojav je znan kot simetrija parnosti naboja, vendar obstoječa teorija fizike pravi, da ni razloga, da bi ta simetrija morala obstajajo. Nepričakovano simetrijo lahko razložimo z obstojem posebnega polja; odkrivanje aksione bi pokazalo, da to polje obstaja, in razreši to skrivnost.
Ker znanstveniki verjamejo, da srhljivi, nevtralni delci komajda posegajo v navadno snov, so domnevali, da bi ga bilo težko zaznati s pomočjo obstoječih vesoljskih teleskopov. Tako so se raziskovalci odločili, da bodo poskusili nekaj več do Zemlje in uporabili čuden material, znan kot kondenzirana snov.
Poskusi s kondenzirano snovjo, kot so izvedli raziskovalci, so bili uporabljeni za "iskanje" nedostopnih predvidenih delcev v več dobro znanih primerih, vključno s fermentacijo majorane. Delci niso zaznani v običajnem pomenu, ampak jih namesto tega najdemo kot skupne vibracije v materialih, ki se obnašajo in reagirajo točno tako, kot bi delci.
"Težava pogleda na vesolje je, da ne morete nadzorovati svojega eksperimentalnega okolja zelo dobro," je dejal soavtor študije Johannes Gooth, fizik na Inštitutu Max Planck za kemijsko fiziko trdnih snovi v Nemčiji. "Počakate, da se zgodi dogodek in ga poskusite zaznati. Mislim, da je ena izmed lepih stvari, kako te koncepte visokoenergijske fizike spraviti v kondenzirano snov, ta, da lahko dejansko naredite veliko več."
Raziskovalna skupina je sodelovala z Weylovim semimetalom, posebnim in čudnim materialom, v katerem se elektroni obnašajo, kot da nimajo mase, ne delujejo med seboj in so razdeljeni na dve vrsti: desničarji in levičarji. Lastnost desničarjev ali levičarjev se imenuje hiralnost; kiralnost v Weylovih polimetalah je ohranjena, kar pomeni, da obstaja enako število desnih in levo usmerjenih elektronov. Hlajenje polimetala na 12 stopinj Farenhejta (minus 11 stopinj Celzija) je omogočilo medsebojno delovanje elektronov in kondenziranje v lastni kristal.
Valovi vibracij, ki potujejo skozi kristale, se imenujejo fononi. Ker čudni zakoni kvantne mehanike narekujejo, da se delci lahko obnašajo tudi kot valovi, obstajajo določeni fononi, ki imajo enake lastnosti kot običajni kvantni delci, na primer elektroni in fotoni. Gooth in njegovi sodelavci so v kristalu elektronov opazovali fonene, ki so se odzvali na električna in magnetna polja točno tako, kot se predvideva. Ti kvazi delci prav tako niso imeli enakega števila delcev z desnico in levico. (Fiziki so tudi predvideli, da bodo aksije prekinile ohranjanje kiralnosti.)
"Spodbudno je, da so te enačbe tako naravne in prepričljive, da se v naravi uresničijo v vsaj eni okoliščini," je dejal teoretični fizik MIT in nobelov nagrajenec Frank Wilczek, ki je prvotno poimenoval os po letu 1977. "Če vemo, da obstaja nekaj materiali, ki gostijo osi, no, morda material, ki mu rečemo tudi prostor, vsebuje tudi os. " Wilczek, ki v sedanji študiji ni bil vključen, je tudi predlagal, da bi material, kot je Weyl semimetal, nekega dne lahko uporabil kot nekakšno "anteno" za zaznavanje temeljnih osi ali akcij, ki že sami po sebi obstajajo kot delci v vesolju, ne kot kolektivne vibracije.
Medtem ko se bo iskanje aksiona kot neodvisnega, samotnega delca nadaljevalo, poskusi, kot je ta, pomagajo bolj tradicionalnim poskusom odkrivanja z zagotavljanjem omejitev in ocen lastnosti delcev, kot je masa. To daje drugim eksperimentalcem boljšo predstavo o tem, kje iskati te delce. Prav tako odločno dokazuje, da je obstoj delcev mogoč.
"Najprej je teorija matematični koncept," je dejal Gooth. "In lepota teh eksperimentov fizike kondenzirane snovi je, da lahko pokažemo, da ta vrsta matematike sploh obstaja v naravi."
