Os cientistas finalmente encontraram traços do axião, uma partícula ilusória que raramente interage com a matéria normal. O axion foi previsto pela primeira vez há mais de 40 anos, mas nunca foi visto até agora.
Os cientistas sugeriram que a matéria escura, a matéria invisível que permeia o nosso universo, pode ser feita de axônios. Mas, em vez de encontrar um axônio de matéria escura no espaço sideral, os pesquisadores descobriram assinaturas matemáticas de um axion em um material exótico aqui na Terra.
O axião recém-descoberto não é uma partícula como normalmente pensamos: ele age como uma onda de elétrons em um material super-resfriado conhecido como semimetal. Mas a descoberta pode ser o primeiro passo para resolver um dos principais problemas não resolvidos da física de partículas.
O axion é candidato à matéria escura, pois, assim como a matéria escura, não pode realmente interagir com a matéria regular. Essa indiferença também torna o axion, se existir, extremamente difícil de detectar. Essa estranha partícula também pode ajudar a resolver um enigma de longa data na física conhecido como "o forte problema da PC". Por alguma razão, as leis da física parecem agir da mesma forma sobre as partículas e seus parceiros antimatéria, mesmo quando suas coordenadas espaciais são invertidas. existir. A simetria inesperada pode ser explicada pela existência de um campo especial; detectar um axion provaria que esse campo existe, resolvendo esse mistério.
Como os cientistas acreditam que a partícula neutra e fantasmagórica mal interage com a matéria comum, eles assumiram que seria difícil detectar usando os telescópios espaciais existentes. Então, os pesquisadores decidiram tentar algo mais realista, usando um material estranho conhecido como matéria condensada.
Experimentos de matéria condensada, como os que os pesquisadores realizaram, foram usados para "encontrar" partículas previstas indescritíveis em vários casos bem conhecidos, incluindo o do majorana férmion. As partículas não são detectadas no sentido usual, mas são encontradas como vibrações coletivas em materiais que se comportam e respondem exatamente como a partícula faria.
"O problema de olhar para o espaço sideral é que você não pode controlar muito bem seu ambiente experimental", disse o co-autor do estudo Johannes Gooth, físico do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, na Alemanha. "Você espera que um evento aconteça e tenta detectá-lo. Acho que uma das coisas mais bonitas de transformar esses conceitos de física de alta energia em matéria condensada é que você pode realmente fazer muito mais".
A equipe de pesquisa trabalhou com um semimetal de Weyl, um material especial e estranho no qual os elétrons se comportam como se não tivessem massa, não interagem entre si e são divididos em dois tipos: destro e canhoto. A propriedade de ser destro ou canhoto é chamada quiralidade; a quiralidade nos semimetais de Weyl é conservada, significando que há um número igual de elétrons destros e canhotos. O resfriamento do semimetal a 12 graus Fahrenheit (menos 11 graus Celsius) permitiu que os elétrons interagissem e se condensassem em um cristal próprio.
Ondas de vibrações viajando através de cristais são chamadas fônons. Como as estranhas leis da mecânica quântica determinam que as partículas também podem se comportar como ondas, existem certos fônons que têm as mesmas propriedades que as partículas quânticas comuns, como elétrons e fótons. Gooth e seus colegas observaram fônons no cristal de elétrons que respondiam aos campos elétricos e magnéticos exatamente como os axônios são previstos. Essas quasipartículas também não tinham números iguais de partículas para destros e canhotos. (Os físicos também previram que os axions quebrariam a conservação da quiralidade.)
"É encorajador que essas equações sejam tão naturais e convincentes que sejam realizadas na natureza em pelo menos uma circunstância", disse o físico teórico do MIT e laureado com o Nobel Frank Wilczek, que originalmente nomeou o axion em 1977. "Se sabemos que existem algumas materiais que hospedam axions, bem, talvez o material que chamamos de espaço também abrigue axions ". Wilczek, que não participou do estudo atual, também sugeriu que um material como o semimetal de Weyl poderia um dia ser usado como uma espécie de "antena" para detectar eixos fundamentais, ou eixos que existem por si só como partículas no universo, ao invés de vibrações coletivas.
Enquanto a busca pelo axião como uma partícula solitária independente continuará, experimentos como este ajudam experimentos de detecção mais tradicionais, fornecendo limites e estimativas das propriedades da partícula, como massa. Isso dá a outros experimentalistas uma idéia melhor de onde procurar essas partículas. Também demonstra com robustez que a existência da partícula é possível.
"Uma teoria primeiro é um conceito matemático", disse Gooth. "E a beleza desses experimentos de física da matéria condensada é que podemos mostrar que esse tipo de matemática existe na natureza."
