Изследователи откриха нова частица, която е магнитен роднина на Хигс бозона. Докато откриването на Хигс бозона изискваше огромната ускоряваща сила на частиците на Големия адронен колайдер (LHC), тази невиждана досега частица, наречена аксиален Хигс бозон, беше открита с помощта на експеримент, който щеше да се побере на малък кухненски плот .

Освен че е първи сам по себе си, този магнитен братовчед на Хигс бозона - частицата, отговорна за придаване на масата на други частици, може да бъде кандидат за тъмна материя, която представлява 85% от общата маса на Вселената, но се разкрива само чрез гравитацията.

"Когато моята студентка ми показа данните, реших, че е сгрешила“, каза Кенет Бърч, професор по физика в Бостънския колеж и водещ изследовател на екипа, направил откритието, пред Live Science. "Не всеки ден намирате нова частица, която седи на плота ви."

Аксиалният бозон на Хигс се различава от бозона на Хигс, който за първи път беше открит от детекторите ATLAS и CMS в LHC преди десетилетие през 2012 г., защото има магнитен момент, магнитна сила или ориентация, която създава магнитно поле. Като такъв, той изисква по-сложна теория, за да го опише, от неговия братовчед с немагнитна маса, предоставящ маса.

В Стандартния модел на физиката на елементарните частици се появяват от различни полета, които пронизват Вселената и някои от тези частици оформят фундаменталните сили на Вселената. Например фотоните медиират електромагнетизма, а големите частици, известни като W и Z бозони, посредничат за слабата ядрена сила, която управлява ядрения разпад на субатомни нива. Когато Вселената е била млада и гореща обаче, електромагнетизмът и слабата сила са били едно нещо и всички тези частици са били почти идентични. Докато Вселената се охлаждала, електрослабата сила се разделила, което накарало W и Z бозоните да набират маса и да се държат много различно от фотоните, процес, който физиците нарекли "нарушаване на симетрията". Но как точно тези частици са станали толкова тежки?

Оказва се, че тези частици взаимодействат с отделно поле, известно като полето на Хигс. Смущенията в това поле довели до бозона на Хигс и придали тежестта на W и Z бозоните.

Бозонът на Хигс се произвежда в природата, когато такава симетрия е нарушена. "Въпреки това, обикновено само една симетрия се нарушава в даден момент и по този начин Хигс се описва просто от неговата енергия", каза Бърч.

Теорията зад аксиалния Хигс бозон е по-сложна.

"В случая на аксиалния Хигс бозон изглежда, че множество симетрии са нарушени заедно, което води до нова форма на теорията и на режим на Хигс [специфичните трептения на квантово поле като полето на Хигс], който изисква множество параметри, за да бъде описан, по-специално енергия и магнитен момент", каза Бърч.

Бърч, който заедно с колеги описа новия магнитен братовчед на Хигс в проучване, публикувано в сряда (8 юни) в списание Nature, обясни, че оригиналният Хигс бозон не се свързва директно със светлината, което означава, че трябва да бъде създаден чрез разбиване на други частици заедно с огромни магнити и мощни лазери, при същевременно охлаждане на пробите до изключително ниски температури. Именно разпадането на онези оригинални частици в други, които се появяват мимолетно, разкрива присъствието на Хигс.

Аксиалният бозон на Хигс, от друга страна, възниква, когато квантовите материали при стайна температура имитират специфичен набор от трептения, наречен аксиален режим на Хигс. След това изследователите използвали разсейването на светлината, за да наблюдават частицата.

"Открихме аксиалния Хигс бозон, използвайки експеримент с настолна оптика, който стои на маса с размери около 1 х 1 метър, като се фокусирахме върху материал с уникална комбинация от свойства", продължава Бърч. "По-конкретно ние използвахме редкоземен трителурид (RTe3) [квантов материал със силна 2D кристална структура]. Електроните в RTe3 се самоорганизират във вълна, при която плътността на заряда периодично се увеличава или намалява."

Размерът на тези вълни с плътност на заряда, които се появяват над стайна температура, може да бъде модулиран с течение на времето, създавайки аксиален режим на Хигс.

В новото проучване екипът създаде аксиалния режим на Хигс, като изпрати лазерна светлина с един цвят в кристала RTe3. Светлината се разсейва и променя в цвят с по-ниска честота в процес, известен като Раманово разсейване, а енергията, загубена по време на промяната на цвета, създала аксиалния режим на Хигс. След това екипът завъртял кристала и установил, че аксиалният режим на Хигс също контролира ъгловия импулс на електроните или "скоростта, с която те се движат в кръг, в материала, което означава, че този режим също трябва да бъде магнитен".

"Първоначално ние просто изследвахме свойствата на разсейване на светлината на този материал. Когато внимателно изследвахме симетрията на отговора - как се различаваше, докато завъртахме пробата, ние открихме аномални промени, които бяха първоначалните намеци за нещо ново", обяснява Бърч. "Това е първият такъв магнитен Хигс, който е открит и показва, че колективното поведение на електроните в RTe3 е различно от всяко състояние, наблюдавано преди в природата."

Физиците на елементарните частици преди това са предвидили аксиалния режим на Хигс и дори са го използвали, за да обяснят тъмната материя, но това е първият път, когато той е наблюдаван. Това е и първият път, когато учените наблюдават състояние с множество нарушени симетрии.

Нарушаването на симетрията се случва, когато симетрична система, която изглежда еднаква във всички посоки, стане асиметрична. Университетът в Орегон предлага да се мисли за това като за въртяща се монета, която има две възможни състояния. В крайна сметка монетата пада върху ези или тура, като по този начин освобождава енергия и става асиметрична.

Фактът, че това двойно нарушаване на симетрията все още се съчетава с настоящите физични теории, е вълнуващ, защото може да бъде начин за създаване на невиждани досега частици, които биха могли да обяснят тъмната материя.

"Основната идея е, че за да обясните тъмната материя, се нуждаете от теория, съответстваща на съществуващите експерименти с частици, но произвеждаща нови частици, които все още не са били виждани", казва Бърч.

Въпреки прогнозите на физиците, наблюдението на аксиалния Хигс бозон беше изненада за екипа и те прекараха една година в опити да проверят резултатите си, каза Бърч.