Ученые из Бостонского колледжа заявили о том, что им удалось открыть новую элементарную частицу без использования гигантских ускорителей частиц. «Хайтек» рассказывает подробности о «родственнике» бозона Хиггса и о том, как физикам удалось найти его.
В то время как для открытия элементарных частиц требуется огромная ускоряющая частицы мощность Большого адронного коллайдера (БАК), осевой бозон Хиггса обнаружили с помощью эксперимента, который поместился бы на небольшой кухонной столешнице.
Что такое осевой бозон Хиггса?
Осевой бозон Хиггса отличается от обычного бозона Хиггса, который обнаружили детекторы ATLAS и CMS на БАК 10 лет назад, в 2012 году. 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».
Несмотря на то, что обе частицы считаются родственниками, их природа отличается друг от друга. В то время как бозон Хиггса отвечает за придание другим частицам их массы, его магнитный двоюродный брат может считаться кандидатом в темную материю. Напомним, на ее долю приходится 85% общей массы Вселенной, но проявляется она только через гравитацию.
Как появились разные бозоны?
В Стандартной модели физики частицы возникают из различных полей, пронизывающих Вселенную, и некоторые из этих них формируют ее фундаментальные силы. Например, фотоны опосредуют электромагнетизм, а массивные частицы, известные как W- и Z-бозоны, опосредуют слабое ядерное взаимодействие, управляющее ядерным распадом на субатомном уровне. Однако когда Вселенная была молодой, электромагнетизм и слабое взаимодействие были одним целым, и все эти частицы были почти идентичными. Когда она остыла, электрослабая сила разделилась, в результате чего W- и Z-бозоны 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 W- и Z-бозонам.
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 его описания требуется множество параметров, в частности энергия и магнитный импульс.
Как нашли новый бозон?
Первоначальный бозон Хиггса не связан напрямую со светом, а это означает, что он появился в результате столкновения с другими частицами. С другой стороны, осевой бозон возник, когда квантовые материалы комнатной температуры имитировали определенный набор колебаний, называемый аксиальной модой Хиггса. Затем исследователи использовали рассеяние света для наблюдения за частицей.
Примечательно, что ученые обнаружили осевой бозон Хиггса с помощью настольного оптического эксперимента, который проводится на столе размером примерно 1×1 метр. Они использовали редкоземельный трителлурид (RTe₃). Это 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.
По словам ученых, осевой бозон Хиггса возник, когда в квантовом веществе при комнатной температуре имитировали определенный набор волн. Затем ученые использовали рассеивание света для наблюдения за этой частицей.
Изначально физики просто исследовали светорассеивающие свойства редкоземельного трителлурида и и осевой бозон Хиггсанашли случайно, рассказывают ученые в статье для журнала Nature. Однако потом они обнаружили аномальные изменения, которые намекали на существование чего-то нового.
К чему приведет новый эксперимент?
Физики уже предсказывали, что такой родственник бозона Хиггса может существовать, но обнаружить его удалось впервые. Результаты эксперимента показывают, что его появление согласуется с современной физикой элементарных частиц. При этом новая частица может потенциально объяснить существование темной материи. Однако для этого нужна новая теория, которая согласовывалась бы с существующими экспериментами с частицами. Потенциально открытие ученых из Бостонского колледжа изменит науку, которую мы знаем.
Читать далее
Квантовый симулятор показал разделение электрона на части в одномерном пространстве
Физики создали атомный лазер, который может работать вечно
Недалеко от Земли нашли две планеты, которые очень похожи на нашу