Forskere har endelig funnet spor etter aksjonen, en unnvikende partikkel som sjelden samvirker med normal materie. Aksjonen ble først spådd for over 40 år siden, men har aldri blitt sett før nå.
Forskere har antydet at mørk materie, den usynlige materien som gjennomsyrer universet vårt, kan være laget av aksjoner. Men heller enn å finne en mørk materieaksion dypt i det ytre rom, har forskere oppdaget matematiske signaturer av en aksjon i et eksotisk materiale her på jorden.
Den nyoppdagede aksjonen er ikke helt en partikkel, som vi vanligvis tenker på den: Den fungerer som en bølge av elektroner i et superkjølt materiale kjent som en semimetal. Men funnet kan være det første trinnet i å adressere et av de største uløste problemene i partikkelfysikk.
Aksjonen er en kandidat for mørk materie, siden den, akkurat som mørk materie, ikke virkelig kan samhandle med vanlig materie. Denne tilbaketrekningen gjør også aksjonen, hvis den eksisterer, ekstremt vanskelig å oppdage. Denne merkelige partikkelen kan også bidra til å løse en langvarig conundrum i fysikk kjent som "det sterke CP-problemet." Av en eller annen grunn ser fysikkens lover ut til å virke det samme på partikler og deres antimaterielle partnere, selv når deres romlige koordinater er omvendt. Dette fenomenet er kjent som ladning-paritet-symmetri, men eksisterende fysikkteori sier at det ikke er noen grunn til at denne symmetrien må eksistere. Den uventede symmetrien kan forklares med eksistensen av et spesialfelt; å oppdage en aksjon ville bevise at dette feltet eksisterer og løse dette mysteriet.
Fordi forskere mener at den spøkelsesaktige, nøytrale partikkelen knapt samhandler med vanlig materie, har de antatt at det ville være vanskelig å oppdage ved bruk av eksisterende romteleskoper. Så forskerne bestemte seg for å prøve noe mer ned på jorden ved å bruke et underlig materiale kjent som kondensert materie.
Kondenserte stoffforsøk som den forskerne gjennomførte har blitt brukt til å "finne" unnvikende forutsagte partikler i flere velkjente tilfeller, inkludert majorana fermion. Partiklene blir ikke oppdaget i vanlig forstand, men blir i stedet funnet som kollektive vibrasjoner i materialer som oppfører seg og reagerer nøyaktig som partikkelen ville gjort.
"Problemet med å se på det ytre rom er at du ikke kan kontrollere forsøksmiljøet ditt veldig godt," sa studieforsker Johannes Gooth, fysiker ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Tyskland. "Du venter på at en hendelse skal skje og prøver å oppdage den. Jeg tror at en av de vakre tingene med å få disse konseptene med høyenergifysikk inn i kondensert stoff, er at du faktisk kan gjøre mye mer."
Forskerteamet jobbet med en Weyl semimetal, et spesielt og rart materiale der elektronene oppfører seg som om de ikke har noen masse, ikke samhandler med hverandre og er delt inn i to typer: høyrehendt og venstrehendt. Egenskapen av å være enten høyre- eller venstrehendt kalles kiralitet; chirality i Weyl semimetals er bevart, noe som betyr at det er like mange høyre- og venstrehåndselektroner. Avkjøling av semimetal til 12 grader Fahrenheit (minus 11 grader celsius) lot elektronene samvirke og kondensere seg til en egen krystall.
Bølger av vibrasjoner som beveger seg gjennom krystaller kalles fononer. Siden kvantemekanikkens merkelige lover tilsier at partikler også kan oppføre seg som bølger, er det visse fononer som har de samme egenskapene som vanlige kvantepartikler, for eksempel elektroner og fotoner. Gooth og kollegene observerte fononer i elektronkrystallen som reagerte på elektriske og magnetiske felt nøyaktig som aksjoner er spådd om. Disse kvasipartiklene hadde heller ikke like mange høyre- og venstrehåndspartikler. (Fysikere spådde også at aksjoner ville bryte bevaring av chiralitet.)
"Det er oppmuntrende at disse ligningene er så naturlige og overbevisende at de realiseres i naturen i minst en omstendighet," sa MIT teoretisk fysiker og nobelprisvinner Frank Wilczek, som opprinnelig ga navnet aksjonen i 1977. "Hvis vi vet at det er noen materialer som er vert for aksjoner, vel, kanskje det materialet vi kaller plass også rommer aksjoner. " Wilczek, som ikke var involvert i den aktuelle studien, antydet også at et materiale som Weyl semimetal en dag kunne brukes som en slags "antenne" for å oppdage grunnleggende aksjoner, eller aksjoner som eksisterer i seg selv som partikler i universet, heller enn som kollektive vibrasjoner.
Mens søket etter aksjonen som en uavhengig, ensom partikkel vil fortsette, hjelper eksperimenter som dette til mer tradisjonelle deteksjonseksperimenter ved å gi begrensninger for og estimater av partikkelens egenskaper, som masse. Dette gir andre eksperimenter en bedre ide om hvor de skal lete etter disse partiklene. Den demonstrerer også robust at partikkelens eksistens er mulig.
"En teori først er et matematisk konsept," sa Gooth. "Og det fine med disse kondenserte fysikkeksperimentene er at vi kan vise at denne typen matematikk i det hele tatt eksisterer i naturen."
