A tudósok végül megtalálták az axion nyomát, egy megfoghatatlan részecskét, amely ritkán lép kölcsönhatásba a normál anyaggal. Az axion először több mint 40 évvel ezelőtt jósolták meg, de eddig még soha nem láttak.
A tudósok azt sugallták, hogy a sötét anyag, a világegyetemünket áthatoló láthatatlan anyag tengelyekből állhat. Ahelyett, hogy a sötét anyag axióját mélyen a világűrben találnák, a kutatók felfedezték az axion matematikai aláírásait egy egzotikus anyagban a Földön.
Az újonnan felfedezett axion nem olyan részecske, mint általában gondoljuk: elektronhullámként viselkedik egy félhomályos anyagként ismert túlhűtött anyagban. A felfedezés azonban lehet az első lépés a részecskefizika egyik legnagyobb megoldatlan problémájának kezelésében.
Az axion jelölte a sötét anyagot, mivel, csakúgy, mint a sötét anyag, nem is lehet kölcsönhatásba lépni a normál anyaggal. Ez a távolság az axióst is megnehezíti, ha létezik, az észlelhető. Ez a furcsa részecske szintén segíthet megoldani a fizika régóta fennálló problémáját, az úgynevezett "erős CP probléma" néven. Valamely okból úgy tűnik, hogy a fizikai törvények ugyanolyan módon hatnak a részecskékre és azok antianyag-partnereire, még akkor is, ha térbeli koordinátáik meg vannak fordítva. Ezt a jelenséget töltés-paritás-szimmetrianak nevezik, de a meglévő fizikai elmélet szerint nincs oka ennek a szimmetrianak. létezik. A váratlan szimmetria egy speciális mező létezésével magyarázható; egy tengely észlelése bizonyítja, hogy ez a mező létezik, megoldva ezt a rejtélyt.
Mivel a tudósok úgy vélik, hogy a kísérteties, semleges részecske alig lép kölcsönhatásba a rendes anyaggal, feltételezték, hogy a meglévő űrteleszkópok segítségével nehéz lenne észlelni. Tehát a kutatók úgy döntöttek, hogy kipróbálnak még valamit a Földön, egy furcsa anyaggal, amelyet kondenzált anyagnak hívnak.
A kutatók által elvégzett hasonló sűrített anyagú kísérleteket számos közismert esetben - köztük a majorana fermionéval is - megkereshetetlen előrejelzett részecskék "megtalálására" használták. A részecskéket nem észlelik a szokásos értelemben, hanem kollektív rezgésként találják meg azokat az anyagokat, amelyek pontosan úgy viselkednek és reagálnak, mint a részecske.
"A világűrrel való szemléltetés problémája az, hogy nem tudod nagyon jól ellenőrizni a kísérleti környezetet" - mondta Johannes Gooth, a tanulmány társszerzője, a német Max Planck Szilárd anyagok Kémiai Fizikai Intézetének fizikusa. "Vár egy esemény bekövetkezésére, és megpróbálja észlelni azt. Úgy gondolom, hogy a nagy energiájú fizika ezen fogalmainak kondenzált anyaggá történő átalakításának egyik legfontosabb dolga, hogy valójában sokkal többet tehet."
A kutatócsoport Weyl félvezetővel dolgozott, egy olyan különös és furcsa anyaggal, amelyben az elektronok úgy viselkednek, mintha nincs tömegük, nem lépnek kölcsönhatásba egymással, és két típusra oszthatók: jobbkezes és balkezes. A jobb vagy bal kezes tulajdonságát kiralitásnak nevezzük; a királisság a Weyl-féle fémekben megőrizve van, vagyis a jobb és a balkezes elektronok száma azonos. A félfémet 12 ° C-ra hűtve (mínusz 11 Celsius fok) lehetővé tették az elektronok kölcsönhatását és kondenzálódni maguknak a saját kristályává.
A kristályokon áthaladó rezgéshullámokat fononoknak nevezzük. Mivel a kvantummechanika furcsa törvényei azt írják elő, hogy a részecskék hullámként is viselkedhetnek, vannak bizonyos fononok, mint például az elektronok és a fotonok, amelyek tulajdonságai megegyeznek a közös kvantumrészecskék tulajdonságaival. Gooth és kollégái olyan elektronokat figyeltünk meg az elektronkristályban, amelyek az elektromos és mágneses terekre pontosan úgy reagáltak, mint az axiók. Ezekben a négy részecskékben sem volt azonos számú jobb és bal kezű részecske. (A fizikusok azt is jósolták, hogy az axiók megsemmisítik a királisság megőrzését.)
"Bátorító, hogy ezek az egyenletek annyira természetesek és kényszerítőek, hogy a természetben legalább egy körülmények között megvalósulnak" - mondta a MIT elméleti fizikus és a Nobel-díjas Frank Wilczek, aki eredetileg az axiont 1977-ben nevezte. "Ha tudjuk, hogy vannak az axiókat fogadó anyagok, nos, talán az az anyag, amelyet űrnek nevezünk, axiókat is tartalmaz. " Wilczek, aki nem vett részt a jelenlegi tanulmányban, azt is javasolta, hogy egy olyan anyag, mint például a Weyl-fémből álló anyag, egy napon használható "antennának" az alapvető tengelyek vagy olyan tengelyek érzékelésére, amelyek önmagukban léteznek részecskékként az univerzumban, nem kollektív rezgésekként.
Miközben folytatódik az axion, mint független, magányos részecske keresése, az ilyen kísérletek a hagyományosabb detektálási kísérleteket segítik elő, mivel korlátokkal és becslésekkel adják meg a részecske tulajdonságait, például a tömegét. Ez más kísérleti szakemberek számára jobb képet nyújt arról, hogy hol keresse ezeket a részecskéket. Robusztusan megmutatja, hogy a részecske létezése lehetséges.
"Az elmélet először egy matematikai fogalom" - mondta Gooth. "És a sűrített anyagú fizikai kísérletek szépsége az, hogy meg tudjuk mutatni, hogy egy ilyen matematika a természetben létezik."
