Междисциплинарная группа под руководством физиков Бостонского колледжа обнаружила новую частицу — или ранее не обнаруживаемое квантовое возбуждение — известную как аксиальная мода Хиггса, магнитный родственник определяющей массу частицы бозона Хиггса, сообщает команда в онлайн-издании журнала Nature.

Обнаружение десять лет назад долгожданного бозона Хиггса стало ключевым для понимания массы. В отличие от своего родителя, аксиальная мода Хиггса обладает магнитным моментом , и для объяснения ее свойств требуется более сложная форма теории, сказал профессор физики Бостонского колледжа Кеннет Берч, ведущий соавтор доклада «Аксиальная мода Хиггса, обнаруженная Интерференция квантового пути в RTe3».

По словам Берча, теории, которые предсказывали существование такой моды, использовались для объяснения « темной материи », почти невидимого материала, который составляет большую часть Вселенной, но проявляет себя только через гравитацию.

В то время как бозон Хиггса был обнаружен в экспериментах на коллайдере массивных частиц, команда сосредоточилась на RTe3, или редкоземельном трителлуриде, хорошо изученном квантовом материале, который можно исследовать при комнатной температуре в «настольном» экспериментальном формате.

«Не каждый день вы находите новую частицу на своем столе», — сказал Берч.

По словам Берча, RTe3 обладает свойствами, которые имитируют теорию, создающую аксиальную моду Хиггса. Но главная проблема в обнаружении частиц Хиггса в целом — это их слабая связь с экспериментальными зондами, такими как лучи света, сказал он. Точно так же выявление тонких квантовых свойств частиц обычно требует довольно сложных экспериментальных установок, включая огромные магниты и мощные лазеры, при охлаждении образцов до чрезвычайно низких температур .

Команда сообщает, что они преодолели эти проблемы благодаря уникальному использованию рассеяния света и правильному выбору квантового симулятора, по сути, материала, имитирующего желаемые свойства для изучения.

В частности, исследователи сосредоточились на соединении, о котором давно известно, что оно обладает «волной плотности заряда», а именно состоянием, в котором электроны самоорганизуются с периодической плотностью в пространстве, сказал Берч.

Он добавил, что фундаментальная теория этой волны имитирует компоненты стандартной модели физики элементарных частиц. Однако в этом случае волна плотности заряда совершенно особенная, она возникает намного выше комнатной температуры и связана с модуляцией как плотности заряда, так и атомных орбит. Это позволяет бозону Хиггса, связанному с этой волной плотности заряда, иметь дополнительные компоненты, а именно, он может быть осевым, что означает, что он содержит угловой момент.

Берч объяснил, что для того, чтобы раскрыть тонкую природу этого режима, команда использовала светорассеяние, при котором лазер освещает материал и может менять цвет и поляризацию. Изменение цвета происходит из-за того, что свет создает в материале бозон Хиггса, а поляризация чувствительна к компонентам симметрии частицы.

Кроме того, благодаря правильному выбору падающей и исходящей поляризации частица может быть создана с разными компонентами, например, с одним отсутствующим магнетизмом или компонентом, направленным вверх. Используя фундаментальный аспект квантовой механики, они использовали тот факт, что для одной конфигурации эти компоненты сокращаются. Однако для другой конфигурации добавляют.

«Таким образом, мы смогли выявить скрытый магнитный компонент и доказать открытие первой осевой моды Хиггса», — сказал Берч.

«Обнаружение аксиального бозона Хиггса было предсказано в физике частиц высоких энергий для объяснения темной материи», — сказал Берч. «Однако его никогда не наблюдали. Его появление в системе конденсированного состояния было совершенно неожиданным и предвещало открытие нового состояния с нарушенной симметрией, которое не было предсказано. В отличие от экстремальных условий, обычно необходимых для наблюдения новых частиц, это было сделано при комнатной температуре в настольном эксперименте, где мы достигаем квантового управления модой, просто изменяя поляризацию света».

Берч сказал, что кажущиеся доступными и простыми экспериментальные методы, используемые командой, могут быть применены для изучения в других областях.

«Многие из этих экспериментов были выполнены студентом моей лаборатории, — сказал Берч. «Этот подход может быть напрямую применен к квантовым свойствам многочисленных коллективных явлений, включая моды в сверхпроводниках, магнетиках, сегнетоэлектриках и волнах плотности заряда . преодоление трудности экстремальных экспериментальных условий».

Помимо Берча, соавторами отчета в Бостонском колледже были студент бакалавриата Грант Макнамара, недавний выпускник докторантуры Ипин Ван и научный сотрудник с докторской степенью, доктор медицины Мофаззель Хосен. По словам Берч, Ван получила лучшую диссертацию по магнетизму от Американского физического общества отчасти за свою работу над проектом.

Берч сказал, что крайне важно использовать широкий спектр знаний исследователей из Британской Колумбии, Гарвардского университета, Принстонского университета, Массачусетского университета, Амхерста, Йельского университета, Вашингтонского университета и Китайской академии наук.

«Это показывает силу междисциплинарных усилий в выявлении и контроле новых явлений», — сказал Берч. «Не каждый день вы сталкиваете оптику, химию, физическую теорию, материаловедение и физику вместе в одной работе».