Các nhà khoa học cuối cùng đã tìm thấy dấu vết của axion, một hạt khó nắm bắt mà hiếm khi tương tác với vật chất bình thường. Các tiên đề đã được dự đoán đầu tiên hơn 40 năm trước nhưng chưa bao giờ được nhìn thấy cho đến bây giờ.
Các nhà khoa học đã cho rằng vật chất tối, vật chất vô hình thấm vào vũ trụ của chúng ta, có thể được tạo thành từ các trục. Nhưng thay vì tìm thấy một vật chất tối nằm sâu ngoài vũ trụ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các chữ ký toán học của một sợi trục trong một vật liệu kỳ lạ ở đây trên Trái đất.
Trục mới được phát hiện không hoàn toàn là một hạt như chúng ta thường nghĩ về nó: Nó hoạt động như một làn sóng điện tử trong một vật liệu siêu lạnh được gọi là bán kim loại. Nhưng phát hiện này có thể là bước đầu tiên để giải quyết một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong vật lý hạt.
Các axion là một ứng cử viên cho vật chất tối, vì, giống như vật chất tối, nó không thể thực sự tương tác với vật chất thông thường. Sự xa cách này cũng làm cho các axion, nếu nó tồn tại, cực kỳ khó phát hiện. Hạt lạ này cũng có thể giúp giải quyết một câu hỏi hóc búa lâu đời trong vật lý được gọi là "vấn đề CP mạnh". Vì một số lý do, các định luật vật lý dường như hoạt động giống nhau đối với các hạt và các đối tác phản vật chất của chúng, ngay cả khi tọa độ không gian của chúng bị đảo ngược. Hiện tượng này được gọi là đối xứng tương đương điện tích, nhưng lý thuyết vật lý hiện tại cho biết không có lý do nào đối xứng này hiện hữu. Sự đối xứng bất ngờ có thể được giải thích bằng sự tồn tại của một lĩnh vực đặc biệt; phát hiện một trục sẽ chứng minh rằng lĩnh vực này tồn tại, giải quyết bí ẩn này.
Bởi vì các nhà khoa học tin rằng hạt trung tính ma quái hầu như không tương tác với vật chất thông thường, họ đã cho rằng sẽ khó phát hiện bằng kính viễn vọng không gian hiện có. Vì vậy, các nhà nghiên cứu quyết định thử một thứ gì đó xuống Trái đất nhiều hơn, sử dụng một vật liệu lạ được gọi là vật chất ngưng tụ.
Các thí nghiệm vật chất ngưng tụ giống như thí nghiệm mà các nhà nghiên cứu tiến hành đã được sử dụng để "tìm kiếm" các hạt dự đoán khó nắm bắt trong một số trường hợp nổi tiếng, bao gồm cả hạt fermion. Các hạt không được phát hiện theo nghĩa thông thường, mà thay vào đó được tìm thấy dưới dạng rung động tập thể trong các vật liệu hoạt động và phản ứng chính xác như hạt.
"Vấn đề với việc nhìn vào không gian bên ngoài là bạn không thể kiểm soát môi trường thí nghiệm của mình rất tốt", đồng tác giả nghiên cứu, ông Julian Gooth, nhà vật lý học tại Viện Vật lý hóa học Max Planck ở Đức cho biết. "Bạn chờ đợi một sự kiện xảy ra và cố gắng phát hiện ra nó. Tôi nghĩ một trong những điều hay của việc đưa những khái niệm vật lý năng lượng cao này vào vật chất cô đọng là bạn thực sự có thể làm được nhiều hơn thế."
Nhóm nghiên cứu đã làm việc với một bán kính Weyl, một vật liệu đặc biệt và kỳ lạ trong đó các electron hoạt động như thể chúng không có khối lượng, không tương tác với nhau và được chia thành hai loại: thuận tay phải và tay trái. Tài sản của người thuận tay phải hoặc tay trái được gọi là chirality; chirality trong bán kết Weyl được bảo tồn, có nghĩa là có số lượng electron bằng tay phải và tay trái bằng nhau. Làm mát bán kính đến 12 độ F (âm 11 độ C) cho phép các electron tương tác và ngưng tụ thành một tinh thể của riêng chúng.
Sóng của các rung động truyền qua các tinh thể được gọi là phonon. Vì các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử cho rằng các hạt cũng có thể hành xử như sóng, nên có một số phonon có tính chất giống như các hạt lượng tử thông thường, như electron và photon. Gooth và các đồng nghiệp đã quan sát các phonon trong tinh thể điện tử phản ứng với điện trường và từ trường giống hệt như các trục được dự đoán. Các quasiparticles này cũng không có số hạt bằng tay phải và tay trái bằng nhau. (Các nhà vật lý cũng dự đoán rằng các axion sẽ phá vỡ sự bảo tồn của chirality.)
"Thật đáng khích lệ rằng các phương trình này rất tự nhiên và hấp dẫn đến mức chúng được hiện thực hóa trong ít nhất một trường hợp", nhà vật lý lý thuyết MIT và người đoạt giải Nobel Frank Wilczek, người ban đầu đặt tên cho axion vào năm 1977. "Nếu chúng ta biết rằng có một số Các vật liệu chứa các trục, tốt, có thể là vật liệu mà chúng ta gọi là không gian cũng chứa các trục. " Wilczek, người không tham gia vào nghiên cứu hiện tại, cũng đề xuất rằng một vật liệu như Weyl semimet một ngày nào đó có thể được sử dụng như một loại "ăng-ten" để phát hiện các trục cơ bản, hoặc các trục tồn tại trong quyền của chúng như các hạt trong vũ trụ, thay vì rung động tập thể.
Mặc dù việc tìm kiếm axion như một hạt độc lập, độc lập sẽ tiếp tục, các thí nghiệm như thế này giúp các thí nghiệm phát hiện truyền thống hơn bằng cách cung cấp các giới hạn và ước tính các tính chất của hạt, chẳng hạn như khối lượng. Điều này cung cấp cho các nhà thực nghiệm khác một ý tưởng tốt hơn về nơi tìm kiếm các hạt này. Nó cũng mạnh mẽ chứng minh rằng sự tồn tại của hạt là có thể.
"Một lý thuyết đầu tiên là một khái niệm toán học," Gooth nói. "Và cái hay của những thí nghiệm vật lý cô đọng này là chúng ta có thể chỉ ra rằng loại toán học này tồn tại trong tự nhiên."
