kozmos.hr
Znanost

Fizičari otkrili česticu koja bi mogla objasniti tamnu tvar

Tamna materija. Izvor: Depositphotos.com.
objavljeno

Znanstvenici su otkrili novu česticu koja bi možda mogla objasniti tamnu tvar. Kenneth Burch, profesor fizike na Boston Collegeu i vodeći istraživač, zajedno sa svojim kolegama, opisao je novu česticu u studiji objavljenoj 8. lipnja u znanstvenom časopisu Nature. 

‘Magnetski rođak’ Higgsovog bozona

Riječ je o magnetskom srodniku Higgsovog bozona, a razlika je u tome što je za otkriće Higgsovog bozona bilo potrebno veliko ubrzanje čestica na Velikom hadronskom sudaraču (LHC), dok uređaj za novootkriveni ‘aksijalni Higgsov bozon’ stane na kuhinjski stol. Osim što je magnetski rođak Higgsovog bozona koji drugim česticama daje masu, aksijalni Higgsov bozon mogao bi biti kandidat za tamnu tvar odgovornu za 85% nevidljive mase svemira koju detektiramo isključivo prema njenim gravitacijskim učincima. “Kad mi je moja studentica pokazala podatke, mislio sam da je negdje došlo do greške”, rekao je Burch za LiveScience. “Ne nađete svaki dan novu česticu na stolu.”

Novi aksijalni Higgsov bozon razlikuje se od Higgsovog bozona  jer ima magnetski moment, magnetsku snagu i orijentaciju koja stvara magnetsko polje. Kao takav, zahtijeva složeniju teoriju koja bi ga opisala od njegovog nemagnetskog rođaka koji daje masu. U Standardnom modelu fizike čestica, čestice proizlaze iz različitih polja koja prožimaju svemir, a neke od tih čestica oblikuju temeljne sile svemira. Primjerice, fotoni posreduju u elektromagnetizmu, a velike čestice poznate kao W i Z bozoni posreduju u slaboj nuklearnoj sili koja upravlja nuklearnim raspadom na subatomskim razinama.

No kada je svemir bio mlad, elektromagnetizam i slaba sila bili su sjedinjeni, a sve te čestice bile su gotovo identične. Kako se svemir hladio, elektroslaba sila se podijelila, uzrokujući da W i Z bozoni dobiju masu i da se ponašaju vrlo različito od fotona, proces koji su fizičari nazvali “kršenje simetrije”. Ali kako su točno te čestice koje posreduju slabu silu postale tako teške? Ispostavilo se da su te čestice bile u interakciji sa zasebnim poljem poznatim kao Higgsovo polje. Perturbacije u tom polju dovele su do Higgsovog bozona i dale su na značaju W i Z bozonima. Higgsov bozon nastaje u prirodi kad god je takva simetrija narušena,”Međutim, obično je narušena samo jedna simetrija odjednom, pa se Higgs opisuje upravo njegovom energijom”, rekao je Burch.

Kako objasniti aksijalni Higgsov bozon?

“Kada govorimo o aksijalnom Higgsovom bozonu, čini se da su višestruke simetrije narušene zajedno, što dovodi do novog oblika teorije i Higgsovog modaliteta [specifičnih oscilacija kvantnog polja poput Higgsovog polja] koji zahtijeva više parametara da ga se opiše: točnije, energiju i magnetski zamah”, rekao je Burch. Originalni Higgsov bozon ne spaja se izravno sa svjetlom, što znači da se mora stvoriti razbijanjem drugih čestica u ogromnim magnetima i laserima velike snage, dok se uzorke hladi na ekstremno niske temperature. Raspad izvornih čestica na trenutke izbacuje manje čestice koje tako otkrivaju prisutnost Higgsa.

S druge strane, aksijalni Higgsov bozon nastaje kada kvantni materijali na sobnoj temperaturi oponašaju specifičan skup oscilacija, nazvan aksijalni Higgsov modalitet. Istraživači zatim koriste raspršivanje svjetlosti kako bi promatrali česticu. “Pronašli smo aksijalni Higgsov bozon korištenjem eksperimenta s optikom koja se nalazi na stolu dimenzija 1 x 1 metar, fokusirajući se na materijal s jedinstvenom kombinacijom svojstava”, objašnjava Burch. “Konkretno, koristili smo tritelurid (RTe3) (kvantni materijal s 2D kristalnom strukturom). Elektroni u RTe3 se samoorganiziraju u val u kojem se gustoća naboja povremeno povećava ili smanjuje.” Veličina ovih valova  koji se javljuju iznad sobne temperature, može se modificirati, stvarajući aksijalni Higgsov modalitet.

Tim znanstvenika stvorio je ovaj modalitet slanjem laserskog svjetla specifične boje u kristal RTe3. Svjetlost se raspršila i promijenila u boju niže frekvencije u procesu poznatom kao Ramanovo raspršenje, a energija izgubljena tijekom promjene boje stvorila je aksijalni Higgsov modalitet. Zatim su rotirali kristal i otkrili da aksijalni Higgsov mod kontrolira kutni moment elektrona, odnosno  brzinu kojom se kreću u krugu, što znači da je modalitet magnetske prirode. “To je prvi takav magnetski Higgs koji je otkriven i ukazuje da je kolektivno ponašanje elektrona u RTe3 različito od bilo kojeg stanja koje je ranije viđeno u prirodi.”

Novo istraživanje baca novi pogled na misterij tamne tvari

Korak prema objašnjenju tamne tvari?

Fizičari čestica već su ranije pretpostavljali postojanje aksijalnog Higgsovog modaliteta i koristili ga kako bi objasnili tamnu tvar, ali ovo je prvi put da imamo eksperimentalne rezultate i promatranje stanja s višestruko narušenim simetrijama (kršenja simetrije – kada simetričan sustav koji je isti u svim smjerovima postane asimetričan).

Ovo dvostruko narušavanje simetrije i dalje se poklapa s trenutnim teorijama fizike, ali bi moglo pomoći u stvaranju do sada neviđenih čestica koje bi mogle objasniti tamnu tvar. “Za objašnjenje tamne materije potrebna teorija koja je u skladu s postojećim eksperimentima na česticama, ali koja proizvodi nove, dosad neviđene, čestice. Razbijanje simetrije putem Higgsovog modaliteta jedan je od načina da se to postigne”, objašnjava Burch.

Fizičar tvrdi da je ‘informacija’ temeljna komponenta svemira – Krije li se informacija u tamnoj tvari?

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Wang, Y., Petrides, I., McNamara, G. et al. Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe3Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04746-6

Anonymous (8. lipnja 2022.), Physicists Discover Elusive New Particle Through Tabletop Experiment, Scitechdaily.com (pristup 18. lipnja 2022.)

Lea R. (18. lipnja 2022.), Physicists discover never-before seen particle sitting on a tabletop, Livescience.com (pristup 18. lipnja 2022.)

Ja sam Matija Klarić.
Student sam Ekonomskog fakulteta, a u slobodno se vrijeme bavim volonterstvom te istraživanjem, čitanjem i pisanjem o mojim omiljenim temama; svemiru, astronomiji, astrofizici i tehnologiji.