物理學家通過“桌面”實驗發(fā)現(xiàn)難以捉摸的新粒子

周三一個由波士頓學院物理學家領(lǐng)導(dǎo)的跨學科科學家團隊宣布，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子--或以前無法檢測到的量子激發(fā)--被稱為軸向希格斯模式，是決定質(zhì)量的希格斯玻色子粒子的一個磁性親屬。該團隊6月8日在《自然》雜志的網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表了他們的報告。

十年前對長期尋求的希格斯玻色子的探測成為理解質(zhì)量的核心。波士頓學院物理學教授Kenneth Burch說，與它的母體不同，軸向希格斯模式有一個磁矩，這需要一個更復(fù)雜的理論形式來解釋它的特性，他這項新研究的主要合著者。

Burch說，預(yù)測這種模式存在的理論被用來解釋 “暗物質(zhì)”，這種幾乎看不見的物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的大部分，但只通過引力顯示出自己。

希格斯玻色子是通過大規(guī)模粒子對撞機中的實驗發(fā)現(xiàn)的，而該團隊則專注于稀土金屬碲化物(RTe3)，這是一種經(jīng)過充分研究的量子材料，可以在室溫下以 “桌面”實驗形式進行檢查。

Burch說：“你不是每天都能在‘桌面’上發(fā)現(xiàn)新粒子。”

Burch說，RTe3的特性模仿了產(chǎn)生軸向希格斯模式的理論。但他說，一般來說，尋找希格斯粒子的核心挑戰(zhàn)是它們與實驗探針（如光束）的弱耦合。同樣，揭示粒子微妙的量子特性通常需要相當復(fù)雜的實驗裝置，包括巨大的磁鐵和高功率的激光器，同時將樣品冷卻到極低的溫度。

該團隊報告說，它通過獨特地利用光的散射和適當?shù)剡x擇量子模擬器（基本上是一種模仿所需特性的材料進行研究）克服了這些挑戰(zhàn)。

具體來說，研究人員專注于一種早已知道擁有"電荷密度波"的化合物，即一種電子以空間中的周期性密度自我組織的狀態(tài)，Burch說。

他補充說，這種波的基本理論模仿了粒子物理學標準模型的組成部分。然而，在這種情況下，電荷密度波是相當特殊的，它出現(xiàn)在遠高于室溫的地方，并且涉及到電荷密度和原子軌道的調(diào)制。這使得與這種電荷密度波相關(guān)的希格斯玻色子有額外的成分，即它可能是軸向的，意味著它包含角動量。

為了揭示這種模式的微妙性質(zhì)，Burch解釋說，該團隊使用了光散射，即用激光照射材料，可以改變顏色以及偏振。顏色的變化是由于光在材料中產(chǎn)生了希格斯玻色子，而偏振則對粒子的對稱性成分敏感。

“因此，我們能夠揭示隱藏的磁性成分，并證明發(fā)現(xiàn)了第一個軸向希格斯模式，”Burch說。

Burch表示：“在高能粒子物理學中預(yù)測了對軸向希格斯的探測，以解釋暗物質(zhì)。然而，它從未被觀察到。它在一個凝聚態(tài)系統(tǒng)中的出現(xiàn)完全令人驚訝，并預(yù)示著發(fā)現(xiàn)了一個沒有被預(yù)測過的新的破缺對稱狀態(tài)。與觀察新粒子通常需要的極端條件不同，這是在室溫下的桌面實驗中完成的，我們只需改變光的偏振就能實現(xiàn)對該模式的量子控制。”

Burch說，該團隊部署的看似容易獲得和直接的實驗技術(shù)可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域的研究。

“這些實驗中有許多是由我們實驗室的一名本科生完成的，”Burch說。“該方法可以直接應(yīng)用于眾多集體現(xiàn)象的量子特性，包括超導(dǎo)體、磁體、鐵電體和電荷密度波中的模式。此外，我們將具有相關(guān)和/或拓撲相的材料中的量子干擾研究帶到了室溫，克服了極端實驗條件的困難。”

除Burch外，波士頓學院報告的合著者還包括本科生Grant McNamara、剛畢業(yè)的博士生 Yiping Wang和博士后研究員Md Mofazzel Hosen。Burch說，Wang獲得了美國物理學會頒發(fā)的磁學最佳論文獎，部分原因是她在這個項目上的工作。

Burch表示，利用來自不列顛哥倫比亞省、哈佛大學、普林斯頓大學、馬薩諸塞大學、馬薩諸塞大學阿默斯特分校、耶魯大學、華盛頓大學和中國科學院的研究人員之間廣泛的專業(yè)知識是至關(guān)重要的。

Burch稱：“這顯示了跨學科努力在揭示和控制新現(xiàn)象方面的力量。你不是每天都能在一項工作中得到光學、化學、物理理論、材料科學和物理學。”

此外，通過對入射和出射偏振的適當選擇，可以創(chuàng)造出具有不同成分的粒子--比如一個沒有磁性的粒子，或者一個指向上方的成分。利用量子力學的一個基本方面，他們利用了這樣一個事實：對于一個配置，這些成分會被抵消。然而，對于不同的配置，它們會增加。