Обнаружена неизвестная ранее частица, которая может отвечать за таинственную темную материю

Исследователи обнаружили новую неизвестную ранее элементарную частицу, которая является магнитным родственником знаменитого бозона Хиггса. В то время как для открытия бозона Хиггса потребовалась огромная ускоряющая мощность Большого адронного коллайдера (БАК), новая невиданная ранее частица, получившая название осевого бозона Хиггса, была обнаружена с помощью эксперимента, который поместился бы, буквально, на небольшой кухонной столике.

 

Этот, так называемый, магнитный кузен бозона Хиггса — частица, отвечающая за придание другим частицам их массы, — может быть не только первым в своем роде, но  и кандидатом на роль переносчика темной материи, на долю которой приходится 85% общей массы Вселенной.

«Когда моя ученица показала мне данные, я подумал, что она, должно быть, ошибается», — сказал специально для ресурса Live Science Кеннет Берч (Kenneth Burch), профессор физики в Бостонском колледже и ведущий исследователь группы, сделавшей это открытие. — «Не каждый день вы находите новую частицу на своем столе». 

Осевой бозон Хиггса отличается от бозона Хиггса, который был впервые обнаружен детекторами ATLAS и CMS на БАК десять лет назад в 2012 году, тем, что у него есть магнитный момент, магнитная сила или ориентация, которые создают магнитное поле. 

Таким образом, для его описания требуется более сложная теория, чем для его немагнитного кузена. В Стандартной модели физики элементарных частиц частицы возникают из различных полей, пронизывающих Вселенную, и некоторые из этих частиц формируют фундаментальные силы Вселенной. Например, фотоны опосредуют электромагнетизм, а массивные частицы, известные как бозоны W и Z, опосредуют слабое ядерное взаимодействие, управляющее ядерным распадом на субатомном уровне. 

Однако когда Вселенная была молода и горяча, электромагнетизм и слабое взаимодействие были одним целым, и все эти частицы были почти идентичными. Когда Вселенная остыла, электрослабая сила разделилась, в результате чего бозоны W и Z набрали массу и стали вести себя совершенно иначе, чем фотоны. Этот процесс физики назвали «нарушением симметрии». 

Но как именно эти частицы-посредники слабого взаимодействия стали такими тяжелыми? Оказывается, эти частицы взаимодействовали с отдельным полем, известным как поле Хиггса. Возмущения в этом поле породили бозон Хиггса и придали вес бозонам W и Z. Бозон Хиггса образуется в природе всякий раз, когда такая симметрия нарушается. 

«Однако, как правило, одновременно нарушается только одна симметрия, и поэтому бозон Хиггса просто описывается его энергией», — сказал Берч. 

Теория осевого бозона Хиггса более сложна.

«В случае с аксиальным бозоном Хиггса несколько симметрий нарушаются, что приводит к новой форме теории и режиму Хиггса [особым колебаниям квантового поля, подобного полю Хиггса], для описания которого требуется множество параметров: в частности, энергия и магнитный импульс», — сказал Берч, который вместе с коллегами описал нового магнитного кузена Хиггса в исследовании, опубликованная в среду 8 июня 2022 года в журнале Nature.

Общепринятые теории говорят о том, что исходный бозон Хиггса не взаимодействует напрямую со светом, а это означает, что он должен быть создан путем столкновения других частиц вместе с огромными магнитами и мощными лазерами, а также охлаждения образцов до чрезвычайно высокой температуры. холодные температуры. Именно распад этих первоначальных частиц на другие, мимолетно возникающие, выявляет присутствие бозона Хиггса. В то же время, по мнению группы Берча, аксиальный бозон Хиггса, с другой стороны, возник, когда квантовые материалы комнатной температуры имитировали определенный набор колебаний, называемый аксиальной модой Хиггса. 

Затем исследователи использовали рассеяние света для наблюдения за частицей. 

«Мы обнаружили осевой бозон Хиггса с помощью настольного оптического эксперимента, который проводится на столе размером примерно 3,2 на 3,2 фута (1 на 1 метр), сосредоточив внимание на материале с уникальным сочетанием свойств», — продолжил Берч. — «В частности, мы использовали редкоземельный трителлурид (RTe3) [квантовый материал с двумерной кристаллической структурой]. Электроны в RTe3 самоорганизуются в волну, в которой плотность заряда периодически увеличивается или уменьшается». 

Размер этих волн плотности заряда, возникающих при температуре выше комнатной, можно модулировать с течением времени, создавая аксиальную моду Хиггса. В новом исследовании команда создала аксиальную моду Хиггса, отправив лазерный свет одного цвета в кристалл RTe3. Свет рассеивался и менял цвет на более низкую частоту в процессе, известном как комбинационное рассеяние, а энергия, потерянная во время изменения цвета, создавала аксиальную моду Хиггса. Затем команда повернула кристалл и обнаружила, что осевая мода Хиггса также контролирует угловой момент электронов или скорость, с которой они движутся по кругу в материале, что означает, что эта мода также должна быть магнитной.

«Первоначально мы просто исследовали светорассеивающие свойства этого материала. Тщательно изучив симметрию отклика — то, как она менялась при вращении образца, — мы обнаружили аномальные изменения, которые были начальными намеками на что-то новое», — объяснил Берч. — «Таким образом, это первый такой магнитный бозон Хиггса, который был обнаружен, и указывает на то, что коллективное поведение электронов в RTe3 отличается от любого состояния, которое ранее наблюдалось в природе». 

Физики элементарных частиц ранее предсказывали аксиальную моду Хиггса и даже использовали ее для объяснения темной материи, но это первый раз, когда она наблюдается. Это также первый раз, когда ученые наблюдали состояние с множественными нарушенными симметриями. Нарушение симметрии происходит, когда симметричная система, которая кажется одинаковой во всех направлениях, становится асимметричной. 

Орегонский университет предлагает думать об этом как о вращающейся монете, которая имеет два возможных состояния. Монета в конечном итоге падает на решку или орел, высвобождая энергию и становясь асимметричной. Тот факт, что это двойное нарушение симметрии все еще согласуется с современными физическими теориями, впечатляет, потому что это может быть способом создания невидимых до сих пор частиц, которые могли бы объяснить темную материю. 

«Основная идея заключается в том, что для объяснения темной материи вам нужна теория, согласующаяся с существующими экспериментами с частицами, но создающая новые частицы, которые еще не наблюдались», — сказал Берч. — «Добавление этого дополнительного нарушения симметрии через аксиальную моду Хиггса — один из способов добиться этого». 

По мнению команды Берча, несмотря на предсказания физиков, наблюдение аксиального бозона Хиггса стало неожиданностью для команды, и они потратили год, пытаясь проверить свои результаты.

Ранее сообщалось о том, что космический телескоп Hubble сделал потрясающий снимок спиральной галактики NGC 4571.

Источник: Space.com.