Forskare accepterar allmänt förekomsten av kvarker, de grundläggande partiklarna som utgör protoner och neutroner. Men information om dem är fortfarande svårfångad, eftersom deras interaktion är så stark att deras direkta upptäckt är omöjligt och att utforska deras egenskaper indirekt ofta kräver extremt dyra partikelkolliderare och samarbeten mellan tusentals forskare. Så, kvarker förblir konceptuellt främmande och konstiga som Cheshire -katten i "Alice's Adventures in Wonderland, " vars flin är detekterbart - men inte dess kropp.

En internationell grupp forskare som inkluderar materialvetaren Valerii Vinokur från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har utvecklat en ny metod för att utforska dessa grundläggande partiklar som utnyttjar en analogi mellan beteendet hos kvarkar inom högenergifysik och elektroner i fysik av kondenserad materia. Denna upptäckt kommer att hjälpa forskare att formulera och genomföra experiment som kan ge avgörande bevis för kvargning, asymptotisk frihet, och andra fenomen, till exempel om superinsulatorer kan existera i både två och tre dimensioner.

Vinokur, arbetar med Maria Cristina Diamantini från University of Perugia i Italien och Carlo Trugenberger från SwissScientific Technologies i Schweiz, utarbetat en teori kring ett nytt tillstånd av materia som kallas en superinsulator, där elektroner visar några av samma egenskaper som kvarker.

Elektronerna, de bestämde, dela två viktiga egenskaper som styr kvarkinteraktioner:inneslutning och asymptotisk frihet. Inslutning är mekanismen som binder kvarkar samman till sammansatta partiklar. Till skillnad från elektriskt laddade partiklar, kvarker kan inte separeras från varandra. När avståndet mellan dem ökar, deras drag blir bara starkare.

"Detta är inte vår vardagliga upplevelse, "sa Vinokur." När du drar isär magneter, det blir lättare när de separeras, men motsatsen gäller för kvarker. De gör hårt motstånd. "

Kvarkinteraktioner kännetecknas också av asymptotisk frihet, där kvarker på nära håll slutar interagera helt och hållet. När de väl reser ett visst avstånd från varandra, en kärnkraft drar tillbaka dem.

I slutet av 1970 -talet Nobelpristagaren Gerard 't Hooft förklarade först dessa två nyligen teoretiserade egenskaper med hjälp av en analogi. Han föreställde sig ett materiellt tillstånd som är motsatsen till en superledare genom att det oändligt motstår laddningsflödet i stället för att leda det oändligt. I en "superisolator, "som 't Hooft kallade detta tillstånd, elektronpar med olika snurr - Cooper -par - skulle binda ihop på ett sätt som är matematiskt identiskt med kvarkfängsel inuti elementära partiklar.

"Det förvrängda elektriska fältet i en superisolator skapar en sträng som binder paren till Cooper -par, och ju mer du sträcker dem, ju mer paret motstår separation, "sade Vinokur." Detta är mekanismen som binder kvarkar samman till protoner och neutroner. "

1996, omedveten om 't Hoofts analogi, Diamantini och Trugenberger - tillsammans med kollegan Pascuale Sodano - förutspådde förekomsten av superisolatorer. Dock, superinsulatorer förblev teoretiska fram till 2008, när ett internationellt samarbete som leddes av Argonne -utredare återupptäckte dem i filmer av titanitrid.

Med hjälp av deras experimentella resultat, de konstruerade en teori som beskriver superinsulatorbeteende som så småningom ledde till deras senaste upptäckt, som etablerade en Cooper -paranalog till både inneslutning och kvicks asymptotiska frihet, som 't Hooft föreställde sig, noterade Vinokur.

Teorin om superinsulatorer utarbetar en mental modell som högenergifysiker kan använda för att tänka på kvarker, och det erbjuder ett kraftfullt laboratorium för att utforska inneslutningsfysik med lättillgängligt material.

"Vårt arbete tyder på att system som är mindre än den typiska längden på strängarna som binder Cooper -paren beter sig på ett intressant sätt, "sa Vinokur." De rör sig nästan fritt i denna skala eftersom det inte finns tillräckligt med utrymme för höghållfasta krafter att utvecklas. Denna rörelse är analog med kvarkernas fria rörelse i tillräckligt liten skala. "

Vinokur och medforskare Diamantini, Trugenberger, och Luca Gammaitoni vid University of Perugia söker sätt att slutgiltigt skilja mellan 2-D och 3-D superinsulatorer. Än så länge, de har hittat en - och den har stor betydelse, utmanande konventionella föreställningar om hur glas bildas.

För att upptäcka hur man syntetiserar en 2-D eller 3-D superinsulator, forskare behöver "en fullständig förståelse för vad som gör ett material tredimensionellt och ett annat tvådimensionellt, "Sa Vinokur.

Deras nya arbete visar att 3D-isolatorer visar ett kritiskt beteende som kallas Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) vid övergång till ett superisolerande tillstånd. Superisolatorer i 2-D, dock, visa ett annat beteende:övergången Berezinskii-Kosterlitz-Thouless.

Upptäckten att VFT är mekanismen bakom 3D-superisolatorer avslöjade något överraskande:VFT-övergångar, beskrivs första gången för nästan ett sekel sedan, är ansvariga för bildandet av glas från en vätska. Glas är inte kristallint, som is - den kommer från en amorf, slumpmässigt arrangemang av atomer som snabbt fryser till ett fast ämne.

Orsaken till VFT har förblivit ett mysterium sedan dess upptäckt, men forskare trodde länge att det började med någon form av yttre störning. 3D-superisolatorerna som beskrivs i Vinokurs tidning utmanar denna konventionella uppfattning och, istället, tyder på att störning kan utvecklas från en inre defekt i systemet. Tanken att glasögon kan vara topologiska - de kan ändra sina inneboende egenskaper samtidigt som de är materiellt desamma - är en ny upptäckt.

"Detta grundläggande genombrott utgör ett viktigt steg för att förstå ursprunget till irreversibilitet i naturen, "Sade Vinokur. Nästa steg blir att observera detta teoretiska beteende hos 3D-superinsulatorer.

Studien samlade forskare från markant olika discipliner. Vinokur är en kondensat fysiker, medan Gammaitoni fokuserar på kvanttermodynamik. Diamantini och Trugenberger är inom kvantfältsteori.

"Det var mest anmärkningsvärt att vi kom från mycket olika fysikområden, "Vinokur sa." Genom att kombinera vår kompletterande kunskap gjorde vi det möjligt att uppnå dessa genombrott. "

Resultat från Cooper -parstudien visas i artikeln "Inslutning och asymptotisk frihet med Cooper -par, "publicerad den 7 november, 2018 i Kommunikationsfysik . Arbetet med 3D-superisolatormekanismer beskrivs i uppsatsen "Vogel-Fulcher-Tamman kritik av 3D-superinsulatorer, "publicerad i Vetenskapliga rapporter den 24 oktober, 2018.