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物理学家通过“桌面”实验发现难以捉摸的新粒子

日期: 2022-06-10
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来源:cnBeta


根据粒子物理学标准模型,科学家们目前描述宇宙最基本构件的最佳理论,称为夸克(构成质子和中子)和轻子(包括电子)的粒子构成了所有已知的物质。载力粒子,属于更广泛的玻色子组,影响着夸克和轻子。尽管标准模型在解释宇宙方面很成功,但它也有其局限性。暗物质和暗能量是两个例子,而尚未发现的新粒子有可能最终解决这些谜团。

周三一个由波士顿学院物理学家领导的跨学科科学家团队宣布,他们已经发现了一种新的粒子--或以前无法检测到的量子激发--被称为轴向希格斯模式,是决定质量的希格斯玻色子粒子的一个磁性亲属。该团队6月8日在《自然》杂志的网络版上发表了他们的报告。

十年前对长期寻求的希格斯玻色子的探测成为理解质量的核心。波士顿学院物理学教授Kenneth Burch说,与它的母体不同,轴向希格斯模式有一个磁矩,这需要一个更复杂的理论形式来解释它的特性,他这项新研究的主要合著者。

Burch说,预测这种模式存在的理论被用来解释 “暗物质”,这种几乎看不见的物质构成了宇宙的大部分,但只通过引力显示出自己。

希格斯玻色子是通过大规模粒子对撞机中的实验发现的,而该团队则专注于稀土金属碲化物(RTe3),这是一种经过充分研究的量子材料,可以在室温下以 “桌面”实验形式进行检查。

Burch说:“你不是每天都能在‘桌面’上发现新粒子。”

Burch说,RTe3的特性模仿了产生轴向希格斯模式的理论。但他说,一般来说,寻找希格斯粒子的核心挑战是它们与实验探针(如光束)的弱耦合。同样,揭示粒子微妙的量子特性通常需要相当复杂的实验装置,包括巨大的磁铁和高功率的激光器,同时将样品冷却到极低的温度。

该团队报告说,它通过独特地利用光的散射和适当地选择量子模拟器(基本上是一种模仿所需特性的材料进行研究)克服了这些挑战。

具体来说,研究人员专注于一种早已知道拥有'电荷密度波'的化合物,即一种电子以空间中的周期性密度自我组织的状态,Burch说。

他补充说,这种波的基本理论模仿了粒子物理学标准模型的组成部分。然而,在这种情况下,电荷密度波是相当特殊的,它出现在远高于室温的地方,并且涉及到电荷密度和原子轨道的调制。这使得与这种电荷密度波相关的希格斯玻色子有额外的成分,即它可能是轴向的,意味着它包含角动量。

为了揭示这种模式的微妙性质,Burch解释说,该团队使用了光散射,即用激光照射材料,可以改变颜色以及偏振。颜色的变化是由于光在材料中产生了希格斯玻色子,而偏振则对粒子的对称性成分敏感。

“因此,我们能够揭示隐藏的磁性成分,并证明发现了第一个轴向希格斯模式,”Burch说。

Burch表示:“在高能粒子物理学中预测了对轴向希格斯的探测,以解释暗物质。然而,它从未被观察到。它在一个凝聚态系统中的出现完全令人惊讶,并预示着发现了一个没有被预测过的新的破缺对称状态。与观察新粒子通常需要的极端条件不同,这是在室温下的桌面实验中完成的,我们只需改变光的偏振就能实现对该模式的量子控制。”

Burch说,该团队部署的看似容易获得和直接的实验技术可以应用于其他领域的研究。

“这些实验中有许多是由我们实验室的一名本科生完成的,”Burch说。“该方法可以直接应用于众多集体现象的量子特性,包括超导体、磁体、铁电体和电荷密度波中的模式。此外,我们将具有相关和/或拓扑相的材料中的量子干扰研究带到了室温,克服了极端实验条件的困难。”

除Burch外,波士顿学院报告的合著者还包括本科生Grant McNamara、刚毕业的博士生 Yiping Wang和博士后研究员Md Mofazzel Hosen。Burch说,Wang获得了美国物理学会颁发的磁学最佳论文奖,部分原因是她在这个项目上的工作。

Burch表示,利用来自不列颠哥伦比亚省、哈佛大学、普林斯顿大学、马萨诸塞大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校、耶鲁大学、华盛顿大学和中国科学院的研究人员之间广泛的专业知识是至关重要的。

Burch称:“这显示了跨学科努力在揭示和控制新现象方面的力量。你不是每天都能在一项工作中得到光学、化学、物理理论、材料科学和物理学。”

此外,通过对入射和出射偏振的适当选择,可以创造出具有不同成分的粒子--比如一个没有磁性的粒子,或者一个指向上方的成分。利用量子力学的一个基本方面,他们利用了这样一个事实:对于一个配置,这些成分会被抵消。然而,对于不同的配置,它们会增加。



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