物理學家終於看到了長期尋找的粒子痕跡

有人四十年前就預測存在,但直到現在才發現。

物理學家終於看到了長期尋找的粒子痕跡

科學家終於找到了軸突的痕跡,軸突是一種難以捉摸的粒子,很少與正常物質相互作用。軸距最初是在40多年前預測的,但是直到現在為止都還沒有見過。

科學家認為,暗物質(滲透到我們宇宙中的無形物質)可能是由軸子構成的。但是,研究人員沒有在外太空深處發現暗物質軸,而是在地球上的一種奇異材料中發現了軸的數學特徵。

正如我們通常認為的那樣,新近發現的軸突並不是一個粒子:它在被稱為半金屬的過冷材料中起著電子波的作用。但是,這一發現可能是解決粒子物理學中一個主要未解決問題的第一步。

物理學家終於看到了長期尋找的粒子痕跡

軸子是暗物質的候選者,因為像暗物質一樣,它不能與常規物質真正相互作用。這種疏離也使軸心(如果存在)極難檢測。這個奇怪的粒子還可以幫助解決物理學中一個長期存在的難題,即“強CP問題”。由於某種原因,即使它們的空間座標顛倒了,物理學定律似乎也對粒子及其反物質夥伴起著相同的作用。這種現象被稱為電荷奇偶對稱性,但是現有的物理學理論認為這種對稱性沒有理由存在。意外的對稱性可以用一個特殊的場來解釋。檢測軸心將證明這個領域存在,從而解決了這個謎團。

因為科學家認為幽靈般的中性粒子幾乎不會與普通物質發生相互作用,所以他們認為使用現有的太空望遠鏡很難探測到。因此,研究人員決定使用一種稱為凝結物質的奇怪物質。

像研究人員所做的那樣的凝聚態實驗已被用來“發現”難以捉摸的中性粒子,其中包括幾個主要的費米子粒子。通常情況下,不會檢測到粒子,而是發現它們是材料中的集體振動,這些材料的行為和響應與粒子完全相同。

物理學家終於看到了長期尋找的粒子痕跡

該研究團隊使用了一種外爾半金屬(外爾半金屬有拓撲非平庸的能帶結構,在基礎物性研究方面具有重要地位。),一種特殊而奇怪的材料,其中的電子錶現為沒有質量,彼此不相互作用,並且被分為兩種類型:右手型和左手型。左撇子或右撇子的特性稱為手性(手性一詞指一個物體不能與其鏡像相重合 。如我們的雙手,左手與互成鏡像的右手不重合。)。外爾半金屬中的手性是守恆的,這意味著右手和左手電子數量相等。將半金屬冷卻到零下11攝氏度可以使電子相互作用,並將自身凝聚成自己的晶體。

穿過晶體傳播的振動波稱為聲子。由於量子力學的奇怪定律規定粒子也可以表現為波,因此某些聲子具有與普通量子粒子相同的特性,例如電子和光子。研究人員觀察到電子晶體中的聲子對電場和磁場的響應完全像軸突所預測的那樣。這些準粒子也沒有相等數量的右手和左手粒子。(物理學家還預測,軸將破壞手性的守恆。)

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諾貝爾獎獲得者弗蘭克·威爾澤克(Frank Wilczek)最初是在1977年為軸心命名的。他說:“令人鼓舞的是,這些描述軸心的方程式如此自然和引人注目,以至於它們至少在某種情況下在自然界中得以找到。”知道存在一些容納軸的材料,也許,我們稱之為太空的材料也包含軸。” 科學家建議,有一天像外爾半金屬這樣的材料可以用作一種“天線”,用於檢測基本軸或以自身的形式存在於宇宙中的軸,而不是集體振動。

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科學理論首先是數學概念。這些凝聚態物理實驗的美妙之處在於,我們可以證明這種數學完全存在於自然界中。


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