Wissenschaftler haben endlich Spuren des Axions gefunden, eines schwer fassbaren Teilchens, das selten mit normaler Materie interagiert. Das Axion wurde erstmals vor über 40 Jahren vorhergesagt, wurde aber bisher noch nie gesehen.
Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass dunkle Materie, die unsichtbare Materie, die unser Universum durchdringt, aus Axionen bestehen könnte. Anstatt ein Axion der dunklen Materie tief im Weltraum zu finden, haben Forscher hier auf der Erde mathematische Signaturen eines Axions in einem exotischen Material entdeckt.
Das neu entdeckte Axion ist kein Teilchen, wie wir es normalerweise denken: Es wirkt wie eine Elektronenwelle in einem unterkühlten Material, das als Halbmetall bekannt ist. Die Entdeckung könnte jedoch der erste Schritt sein, um eines der größten ungelösten Probleme in der Teilchenphysik anzugehen.
Das Axion ist ein Kandidat für dunkle Materie, da es genau wie dunkle Materie nicht wirklich mit regulärer Materie interagieren kann. Diese Zurückhaltung macht es auch äußerst schwierig, das Axion, falls vorhanden, zu erkennen. Dieses seltsame Teilchen könnte auch dazu beitragen, ein langjähriges Rätsel in der Physik zu lösen, das als "das starke CP-Problem" bekannt ist. Aus irgendeinem Grund scheinen die Gesetze der Physik auf Teilchen und ihre Antimateriepartner gleich zu wirken, selbst wenn ihre Raumkoordinaten invertiert sind. Dieses Phänomen ist als Ladungsparitätssymmetrie bekannt, aber die existierende Physiktheorie sagt, dass es keinen Grund gibt, warum diese Symmetrie dies tun muss existieren. Die unerwartete Symmetrie kann durch die Existenz eines speziellen Feldes erklärt werden; Das Erkennen eines Axions würde beweisen, dass dieses Feld existiert, und dieses Rätsel lösen.
Da Wissenschaftler glauben, dass das gespenstische, neutrale Teilchen kaum mit gewöhnlicher Materie interagiert, haben sie angenommen, dass es mit vorhandenen Weltraumteleskopen schwer zu erkennen ist. Deshalb beschlossen die Forscher, etwas bodenständigeres auszuprobieren, indem sie ein seltsames Material verwendeten, das als kondensierte Materie bekannt ist.
Experimente mit kondensierter Materie, wie sie von den Forschern durchgeführt wurden, wurden verwendet, um schwer fassbare vorhergesagte Partikel in mehreren bekannten Fällen, einschließlich der der Majorana-Fermion, zu "finden". Die Partikel werden nicht im üblichen Sinne erfasst, sondern als kollektive Schwingungen in Materialien gefunden, die sich genau so verhalten und reagieren wie die Partikel.
"Das Problem beim Betrachten des Weltraums besteht darin, dass Sie Ihre experimentelle Umgebung nicht sehr gut kontrollieren können", sagte Studienkoautor Johannes Gooth, Physiker am Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Feststoffe in Deutschland. "Sie warten auf ein Ereignis und versuchen, es zu erkennen. Ich denke, eines der schönen Dinge, um diese Konzepte der Hochenergiephysik in kondensierte Materie umzusetzen, ist, dass Sie tatsächlich viel mehr tun können."
Das Forschungsteam arbeitete mit einem Weyl-Halbmetall, einem speziellen und seltsamen Material, in dem sich Elektronen so verhalten, als hätten sie keine Masse, interagieren nicht miteinander und sind in zwei Typen unterteilt: Rechtshänder und Linkshänder. Die Eigenschaft, Rechts- oder Linkshänder zu sein, wird als Chiralität bezeichnet. Die Chiralität in Weyl-Halbmetallen bleibt erhalten, was bedeutet, dass es gleich viele rechts- und linkshändige Elektronen gibt. Durch Abkühlen des Halbmetalls auf minus 11 Grad Celsius konnten die Elektronen interagieren und sich zu einem eigenen Kristall kondensieren.
Schwingungswellen, die sich durch Kristalle bewegen, werden Phononen genannt. Da die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik vorschreiben, dass sich Teilchen auch als Wellen verhalten können, gibt es bestimmte Phononen, die die gleichen Eigenschaften wie übliche Quantenteilchen haben, wie Elektronen und Photonen. Gooth und seine Kollegen beobachteten Phononen im Elektronenkristall, die auf elektrische und magnetische Felder genau so reagierten, wie es Axionen vorhersagen. Diese Quasiteilchen hatten auch nicht die gleiche Anzahl von rechts- und linkshändigen Teilchen. (Physiker sagten auch voraus, dass Axionen die Erhaltung der Chiralität brechen würden.)
"Es ist ermutigend, dass diese Gleichungen so natürlich und überzeugend sind, dass sie in der Natur unter mindestens einem Umstand verwirklicht werden", sagte der theoretische Physiker des MIT und Nobelpreisträger Frank Wilczek, der das Axion ursprünglich 1977 benannte. "Wenn wir wissen, dass es einige gibt Materialien, die Axionen enthalten, na ja, vielleicht beherbergt das Material, das wir Raum nennen, auch Axionen. " Wilczek, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war, schlug auch vor, dass ein Material wie das Weyl-Halbmetall eines Tages als eine Art "Antenne" zur Erkennung grundlegender Axionen oder Axionen, die als Teilchen im Universum existieren, verwendet werden könnte. eher als kollektive Schwingungen.
Während die Suche nach dem Axion als unabhängiges, einzelnes Partikel fortgesetzt wird, helfen Experimente wie dieses traditionelleren Detektionsexperimenten, indem sie die Eigenschaften des Partikels wie die Masse einschränken und abschätzen. Dies gibt anderen Experimentatoren eine bessere Vorstellung davon, wo sie nach diesen Partikeln suchen müssen. Es zeigt auch deutlich, dass die Existenz des Partikels möglich ist.
"Eine Theorie ist zuerst ein mathematisches Konzept", sagte Gooth. "Und das Schöne an diesen Experimenten zur Physik der kondensierten Materie ist, dass wir zeigen können, dass diese Art von Mathematik überhaupt in der Natur existiert."
