Gli scienziati hanno finalmente trovato tracce dell'assione, una particella sfuggente che raramente interagisce con la materia normale. L'assione è stato previsto per la prima volta oltre 40 anni fa ma non è mai stato visto fino ad ora.
Gli scienziati hanno suggerito che la materia oscura, la materia invisibile che permea il nostro universo, può essere fatta di assioni. Ma invece di trovare un assione di materia oscura in profondità nello spazio, i ricercatori hanno scoperto le firme matematiche di un assione in un materiale esotico qui sulla Terra.
L'assione appena scoperto non è una particella come la pensiamo normalmente: agisce come un'onda di elettroni in un materiale raffreddato noto come semimetallico. Ma la scoperta potrebbe essere il primo passo per affrontare uno dei maggiori problemi irrisolti nella fisica delle particelle.
L'assione è un candidato per la materia oscura, poiché, proprio come la materia oscura, non può realmente interagire con la materia normale. Questa distanza rende anche l'assione, se esiste, estremamente difficile da rilevare. Questa strana particella potrebbe anche aiutare a risolvere un enigma di lunga data in fisica noto come "il forte problema della CP". Per qualche ragione, le leggi della fisica sembrano agire allo stesso modo sulle particelle e sui loro partner di antimateria, anche quando le loro coordinate spaziali sono invertite.Questo fenomeno è noto come simmetria di parità di carica, ma la teoria della fisica esistente dice che non c'è motivo per cui questa simmetria debba esistere. La simmetria inaspettata può essere spiegata dall'esistenza di un campo speciale; rilevare un assione proverebbe che questo campo esiste, risolvendo questo mistero.
Poiché gli scienziati ritengono che la particella spettrale e neutra interagisca a malapena con la materia ordinaria, hanno ipotizzato che sarebbe difficile rilevare utilizzando i telescopi spaziali esistenti. Quindi i ricercatori hanno deciso di provare qualcosa di più sulla Terra, usando uno strano materiale noto come materia condensata.
Esperimenti di materia condensata come quello condotto dai ricercatori sono stati usati per "trovare" particelle elusive previste in diversi casi ben noti, incluso quello del fermione majorana. Le particelle non vengono rilevate nel solito senso, ma vengono invece trovate come vibrazioni collettive nei materiali che si comportano e rispondono esattamente come farebbe la particella.
"Il problema con lo sguardo nello spazio è che non puoi controllare molto bene il tuo ambiente sperimentale", ha affermato il co-autore dello studio Johannes Gooth, un fisico del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Germania. "Aspetti che si verifichi un evento e provi a rilevarlo. Penso che una delle cose belle di portare questi concetti di fisica ad alta energia nella materia condensata sia che puoi effettivamente fare molto di più."
Il team di ricerca ha lavorato con un Weyl semimetal, un materiale speciale e strano in cui gli elettroni si comportano come se non avessero massa, non interagiscono tra loro e sono divisi in due tipi: destrimano e mancino. La proprietà di essere destrorsa o mancina si chiama chiralità; la chiralità nei semimetali di Weyl è preservata, il che significa che ci sono uguali numeri di elettroni destrimani e mancini. Raffreddare il semimetrale a 12 gradi Fahrenheit (meno 11 gradi Celsius) ha permesso agli elettroni di interagire e di condensarsi in un cristallo tutto loro.
Le onde di vibrazioni che viaggiano attraverso i cristalli sono chiamate fononi. Poiché le strane leggi della meccanica quantistica impongono che le particelle possano anche comportarsi come onde, ci sono alcuni fononi che hanno le stesse proprietà delle particelle quantistiche comuni, come elettroni e fotoni. Gooth e i suoi colleghi hanno osservato i fononi nel cristallo di elettroni che rispondevano ai campi elettrici e magnetici esattamente come sono previsti gli assioni. Anche queste quasiparticelle non avevano lo stesso numero di particelle destre e sinistre. (I fisici hanno anche predetto che gli assioni avrebbero rotto la conservazione della chiralità.)
"È incoraggiante che queste equazioni siano così naturali e avvincenti da essere realizzate in natura in almeno una circostanza", ha detto il fisico teorico del MIT e il premio Nobel Frank Wilczek, che originariamente ha chiamato l'assione nel 1977. "Se sappiamo che ci sono alcune i materiali che ospitano gli assioni, beh, forse il materiale che chiamiamo spazio ospita anche gli assioni ". Wilczek, che non era coinvolto nel presente studio, ha anche suggerito che un materiale come Weyl semimetal potrebbe un giorno essere usato come una sorta di "antenna" per rilevare assioni fondamentali, o assioni che esistono a pieno titolo come particelle nell'universo, piuttosto che come vibrazioni collettive.
Mentre la ricerca dell'assione come particella solitaria indipendente continuerà, esperimenti come questo aiutano esperimenti di rilevazione più tradizionali fornendo limiti e stime delle proprietà della particella, come la massa. Questo dà ad altri sperimentatori un'idea migliore di dove cercare queste particelle. Dimostra anche con forza che l'esistenza della particella è possibile.
"Una teoria prima è un concetto matematico", ha detto Gooth. "E la bellezza di questi esperimenti di fisica della materia condensata è che possiamo dimostrare che questo tipo di matematica esiste in natura."
