يكتشف الفيزيائيون الجسيمات الجديدة المراوغة من خلال تجربة فوق الطاولة

يمكن للمواد التي تحتوي على وضع هيغز المحوري أن تعمل كمستشعرات كمومية لتقييم الأنظمة الكمية الأخرى وتساعد في الإجابة عن الأسئلة العالقة في فيزياء الجسيمات.

وفق النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، أفضل نظرية العلماء الحالية لوصف اللبنات الأساسية للكون ، الجسيمات التي تسمى الكواركات (التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات) واللبتونات (التي تشمل الإلكترونات) تشكل كل المواد المعروفة. تؤثر الجسيمات الحاملة للقوة ، والتي تنتمي إلى مجموعة أكبر من البوزونات ، على الكواركات واللبتونات.

على الرغم من نجاح النموذج القياسي في شرح الكون ، إلا أن له حدوده. تعتبر المادة المظلمة والطاقة المظلمة مثالين ، ومن الممكن أن تحل الجسيمات الجديدة ، التي لم يتم اكتشافها بعد ، هذه الألغاز في النهاية.

اليوم ، أعلن فريق متعدد التخصصات بقيادة فيزيائيين من كلية بوسطن أنهم اكتشفوا جسيمًا جديدًا – أو إثارة كمومية لم يكن من الممكن اكتشافها سابقًا – يُعرف باسم وضع هيغز المحوري ، وهو قريب مغناطيسي لجسيم البوزون. هيغز التي تحدد الكتلة. نشر الفريق تقريرهم اليوم (8 يونيو 2022) في النسخة الإلكترونية من المجلة الطبيعة.

أصبح اكتشاف بوزون هيغز الذي طال انتظاره قبل عشر سنوات ضروريًا لفهم الكتلة. على عكس نسبيها ، فإن وضع هيغز المحوري له لحظة مغناطيسية ، وهذا يتطلب شكلاً أكثر تعقيدًا من النظرية لشرح خصائصه ، كما قال أستاذ الفيزياء في كلية بوسطن كينيث بورش ، المؤلف الرئيسي المشارك لـ “وضع هيغز المحوري الذي اكتشفه تداخل المسار الكمي في RTe₃. “

تم التذرع بالنظريات التي تنبأت بوجود مثل هذا الوضع لشرح “مادة سوداءقال بورتش: “المادة غير المرئية تقريبًا التي تشكل جزءًا كبيرًا من الكون ، لكنها تكشف عن نفسها فقط من خلال الجاذبية”.

في حين أن بوزون هيغز تم الكشف عنها من خلال تجارب في مصادم جسيمات ضخم ، ركز الفريق على RTe₃أو tritelluride الأرضية النادرة ، وهي مادة كمية مدروسة جيدًا يمكن فحصها في درجة حرارة الغرفة بتنسيق “منضدي” تجريبي.

قال بورتش: “لا تجد كل يوم جسيمًا جديدًا على طاولتك”.

RTE₃ قال بورش إن له خصائص تحاكي النظرية التي تنتج وضع هيغز المحوري. لكن التحدي المركزي في البحث عن جسيمات هيغز بشكل عام هو ضعف اقترانها بالمسابير التجريبية ، مثل حزم الضوء ، على حد قوله. وبالمثل ، فإن الكشف عن الخصائص الكمومية الدقيقة للجزيئات يتطلب عادةً إعدادات تجريبية معقدة للغاية ، بما في ذلك المغناطيسات الضخمة وأشعة الليزر عالية الطاقة ، بينما عينات التبريد إلى درجات حرارة شديدة البرودة.

أفاد الفريق أنهم تغلبوا على هذه التحديات من خلال الاستخدام الفريد لتشتت الضوء والاختيار المناسب لمحاكي الكم ، وهو أساسًا مادة تحاكي الخصائص المرغوبة للدراسة.

على وجه التحديد ، ركز الباحثون على مركب معروف منذ فترة طويلة بامتلاكه “موجة كثافة الشحنة” ، وهي حالة تنتظم فيها الإلكترونات ذاتيًا بكثافة دورية في الفضاء ، على حد قول بورتش.

وأضاف أن النظرية الأساسية لهذه الموجة تحاكي مكونات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، تكون موجة كثافة الشحنة غريبة تمامًا ، فهي تظهر أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة وتتضمن تعديلًا لكثافة الشحنة والمدارات الذرية. هذا يسمح لبوزون هيغز المرتبط بموجة كثافة الشحنة هذه أن يكون له مكونات إضافية ، أي أنه يمكن أن يكون محوريًا ، مما يعني أنه يحتوي على زخم زاوي.

من أجل الكشف عن الطبيعة الدقيقة لهذا الوضع ، أوضح بورش أن الفريق استخدم تشتت الضوء ، حيث يتم توجيه الليزر إلى المادة ويمكن أن يغير اللون وكذلك الاستقطاب. ينتج تغير اللون عن الضوء الذي يخلق بوزون هيغز في المادة ، بينما يكون الاستقطاب حساسًا لمكونات التماثل في الجسيم.

علاوة على ذلك ، مع الاختيار الصحيح للاستقطاب الأمامي والخارجي ، يمكن إنشاء الجسيم بمكونات مختلفة – مثل المغناطيسية الغائبة أو مكون التأشير الصاعد. مستغلين جانبًا أساسيًا من ميكانيكا الكم ، استخدموا حقيقة أن هذه المكونات تلغي بعضها البعض للتكوين. ومع ذلك ، من أجل تكوين مختلف ، يضيفون.

قال بورش: “لذلك تمكنا من الكشف عن المكون المغناطيسي المخفي وإثبات اكتشاف وضع هيغز المحوري الأول”.

قال بورش: “تم التنبؤ باكتشاف هيجز المحوري في فيزياء الجسيمات عالية الطاقة لشرح المادة المظلمة”. “ومع ذلك ، هذا لم يتم ملاحظته أبدًا. ظهوره في نظام مادة مكثفة أمر مثير للدهشة تمامًا ويعلن عن اكتشاف حالة جديدة من التماثل المعطل الذي لم يتم التنبؤ به. على عكس الظروف القاسية المطلوبة عمومًا لمراقبة الجسيمات الجديدة ، تم القيام بذلك في درجة حرارة الغرفة في تجربة منضدية حيث نحصل على التحكم في الوضع الكمومي ببساطة عن طريق تغيير استقطاب الضوء.

قال بورش إن الأساليب التجريبية البسيطة التي يمكن الوصول إليها على ما يبدو والتي نشرها الفريق يمكن تطبيقها للدراسة في مجالات أخرى.

قال بورش: “تم إجراء الكثير من هذه التجارب بواسطة طالب جامعي في مختبري”. يمكن تطبيق هذا النهج بشكل مباشر على الخصائص الكمومية للعديد من الظواهر الجماعية ، بما في ذلك الأنماط في الموصلات الفائقة ، والمغناطيسات ، والكهرباء الفيروكهربائية ، وموجات كثافة الشحنة. علاوة على ذلك ، نأتي بدراسة التداخلات الكمية في المواد المرتبطة بالطور و / أو المواد الطوبولوجية إلى درجة حرارة الغرفة من خلال التغلب على صعوبة الظروف التجريبية القاسية.

بالإضافة إلى بيرش ، تضمن المؤلفون المشاركون لتقرير كلية بوسطن الطالب الجامعي جرانت ماكنمارا وطالب الدكتوراه الحديث ييبينج وانج والباحث ما بعد الدكتوراه Md Mofazzel Hosen. قال بورش إن وانغ فازت بأعلى أطروحة من الجمعية الفيزيائية الأمريكية في المغناطيسية ، وذلك جزئيًا لعملها في المشروع.

قال بورش إنه من الأهمية بمكان الاستفادة من مجموعة واسعة من الخبرات بين الباحثين من كولومبيا البريطانية ، جامعة هارفارد ،[{” attribute=””>Princeton University, the University of Massachusetts, Amherst, Yale University, University of Washington, and the Chinese Academy of Sciences.

“This shows the power of interdisciplinary efforts in revealing and controlling new phenomena,” Burch said. “It’s not every day you get optics, chemistry, physical theory, materials science and physics together in one work.”

Reference: “Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe₃” by Yiping Wang, Ioannis Petrides, Grant McNamara, Md Mofazzel Hosen, Shiming Lei, Yueh-Chun Wu, James L. Hart, Hongyan Lv, Jun Yan, Di Xiao, Judy J. Cha, Prineha Narang, Leslie M. Schoop and Kenneth S. Burch, 8 June 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04746-6

Funding: U.S. Department of Energy