En hypotetisk partikel som kunde lösa ett av kosmologins största pussel blev bara lite mindre mystisk. En RIKEN-fysiker och två kollegor har avslöjat den matematiska grunden som kan förklara hur så kallade axioner kan generera strängliknande enheter som skapar en konstig spänning i laboratoriematerial.

Axioner föreslogs först på 1970-talet av fysiker som studerade teorin om kvantkromodynamik, som beskriver hur vissa elementarpartiklar hålls samman inom atomkärnan. Problemet var att denna teori förutspådde några bisarra egenskaper för kända partiklar som inte observeras. För att fixa detta, fysiker ställde upp en ny partikel – senare kallad axionen, efter ett märke av tvättmedel, eftersom det hjälpte till att rensa upp en röra i teorin.

Fysiker insåg snart att axioner också kunde reda ut en kosmisk gåta. Mer än 80% av materien i universum tros bestå av en mystisk osynlig substans, kallad mörk materia. "Axioner är en kandidat för mörk materia, men vi har inte hittat dem ännu, " säger Yoshimasa Hidaka, av RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences Program. Axioner kan ha rätt egenskaper, så fysiker har letat efter tecken på att de finns i många experiment. I juni 2020, XENON1T-experimentet vid Gran Sasso-laboratoriet i Italien rapporterade antydningar om att de kan ha upptäckt axionen - men det resultatet har ännu inte bekräftats.

Men det finns en annan arena där axionsegenskaper kan studeras. Fysiker kan förbereda exotiska material - kallade topologiska isolatorer - i labbet, som uppvisar konstiga egenskaper, som att leda elektricitet på sina ytor medan de förblir elektriska isolatorer inom dem. Sådana material uppvisar andra konstiga beteenden. Ibland, deras elektroner grupperar sig och rör sig på ett sådant sätt att materialet ser ut att vara gjort av "kvasipartiklar" med ovanliga egenskaper. Detta kan skapa en oväntad spänning över materialet, kallas den anomala Hall-effekten.

Axionen förutspås också uppstå på detta sätt, i topologiska isolatorer, där den ska interagera med ljuspartiklar, eller fotoner, på ett annat sätt än vanliga partiklar.

Hidaka och hans två kollegor har nu undersökt teorin som styr interaktionen mellan axioner och fotoner. Även om axioner är punktliknande partiklar, teamet beräknade att inom material, ljus interagerar faktiskt med förlängda trådliknande konfigurationer gjorda av axioner, kallas axioniska strängar. Det skulle leda till den anomala Hall-effekten, som observeras i experiment.

"Vi har hittat den underliggande matematiska strukturen för fenomenet, säger Hidaka.