Ett tvärvetenskapligt team under ledning av Boston College-fysiker har upptäckt en ny partikel - eller tidigare odetekterbar kvantexcitation - känd som det axiella Higgs-läget, en magnetisk släkting till den massdefinierande Higgs Boson-partikeln, rapporterar laget i onlineupplagan av tidskriften Natur .

Upptäckten för ett decennium sedan av den länge eftersökta Higgs Boson blev central för förståelsen av massa. Till skillnad från sin förälder har axiellt Higgs-läge ett magnetiskt moment, och det kräver en mer komplex form av teorin för att förklara dess egenskaper, säger professorn i fysik i Boston College Kenneth Burch, en av de ledande medförfattarna till rapporten "Axial Higgs Mode Detected by Quantum Pathway Interference i RTe3."

Teorier som förutspådde existensen av ett sådant läge har åberopats för att förklara "mörk materia", det nästan osynliga materialet som utgör mycket av universum, men som bara uppenbarar sig via gravitationen, sa Burch.

Medan Higgs Boson avslöjades genom experiment i en massiv partikelkolliderare, fokuserade teamet på RTe3, eller sällsynt jordartsmetall-tritellurid, ett väl studerat kvantmaterial som kan undersökas vid rumstemperatur i ett experimentellt format för "bordsskivor".

"Det är inte varje dag du hittar en ny partikel som sitter på din bordsskiva," sa Burch.

RTe3 har egenskaper som efterliknar teorin som producerar det axiella Higgs-läget, sa Burch. Men den centrala utmaningen för att hitta Higgs-partiklar i allmänhet är deras svaga koppling till experimentella sonder, såsom ljusstrålar, sa han. På samma sätt kräver avslöjandet av partiklars subtila kvantegenskaper vanligtvis ganska komplexa experimentella uppställningar inklusive enorma magneter och kraftfulla lasrar, samtidigt som proverna kyls till extremt kalla temperaturer.

Teamet rapporterar att det övervann dessa utmaningar genom den unika användningen av spridning av ljus och korrekt val av kvantsimulator, i huvudsak ett material som efterliknar de önskade egenskaperna för studier.

Specifikt fokuserade forskarna på en förening som länge varit känd för att ha en "laddningstäthetsvåg", nämligen ett tillstånd där elektroner självorganiserar sig med en täthet som är periodisk i rymden, sa Burch.

Den grundläggande teorin för denna våg efterliknar komponenter i standardmodellen för partikelfysik, tillade han. Men i det här fallet är laddningstäthetsvågen ganska speciell, den kommer fram långt över rumstemperatur och involverar modulering av både laddningstätheten och atombanorna. Detta gör att Higgs Boson associerad med denna laddningstäthetsvåg kan ha ytterligare komponenter, nämligen att den kan vara axiell, vilket betyder att den innehåller rörelsemängd.

För att avslöja den subtila karaktären av detta läge, förklarade Burch att teamet använde ljusspridning, där en laser lyser på materialet och kan ändra färg såväl som polarisering. Förändringen i färg beror på att ljuset skapar Higgs-bosonen i materialet, medan polarisationen är känslig för partikelns symmetrikomponenter.

Dessutom, genom korrekt val av infallande och utgående polarisering, kan partikeln skapas med olika komponenter - som en frånvarande magnetism eller en komponent som pekar uppåt. Genom att utnyttja en grundläggande aspekt av kvantmekaniken använde de det faktum att för en konfiguration avbryter dessa komponenter. Men för en annan konfiguration lägger de till.

"Som sådan kunde vi avslöja den dolda magnetiska komponenten och bevisa upptäckten av det första axiella Higgs-läget," sa Burch.

"Detekteringen av den axiella Higgs förutspåddes i högenergipartikelfysik för att förklara mörk materia," sa Burch. "Den har dock aldrig observerats. Dess uppträdande i ett system med kondenserad materia var helt överraskande och förebådar upptäckten av ett nytt brutet symmetritillstånd som inte hade förutspåtts. Till skillnad från de extrema förhållanden som vanligtvis krävs för att observera nya partiklar, gjordes detta kl. rumstemperatur i ett bordsexperiment där vi uppnår kvantkontroll av läget genom att bara ändra ljusets polarisering."

Burch sa att de till synes tillgängliga och enkla experimentella teknikerna som används av teamet kan användas för att studera inom andra områden.

"Många av dessa experiment utfördes av en student i mitt labb," sa Burch. "Tillvägagångssättet kan enkelt tillämpas på kvantegenskaperna hos många kollektiva fenomen, inklusive moder i supraledare, magneter, ferroelektrik och laddningstäthetsvågor. Dessutom tar vi studiet av kvantinterferens i material med korrelerade och/eller topologiska faser till rumstemperatur övervinna svårigheten med extrema experimentella förhållanden."

Förutom Burch inkluderade Boston College medförfattare till rapporten grundstudenten Grant McNamara, nyligen doktorand Yiping Wang och post-doktorn Md Mofazzel Hosen. Wang vann den bästa avhandlingen i magnetism från American Physical Society, delvis för sitt arbete med projektet, sa Burch.

Burch sa att det var avgörande att dra nytta av det breda utbudet av expertis bland forskare från BC, Harvard University, Princeton University, University of Massachusetts, Amherst, Yale University, University of Washington och Chinese Academy of Sciences.

"Detta visar kraften i tvärvetenskapliga ansträngningar för att avslöja och kontrollera nya fenomen," sa Burch. "Det är inte varje dag man får optik, kemi, fysikalisk teori, materialvetenskap och fysik tillsammans i ett verk." + Utforska vidare

Knasande multiversum för att lösa två fysikpussel samtidigt