Wetenschappers hebben eindelijk sporen gevonden van de axion, een ongrijpbaar deeltje dat zelden in wisselwerking staat met normale materie. De axion werd meer dan 40 jaar geleden voor het eerst voorspeld, maar is tot nu toe nooit gezien.
Wetenschappers hebben gesuggereerd dat donkere materie, de onzichtbare materie die ons universum doordringt, uit axions kan bestaan. Maar in plaats van diep in de ruimte een axion van donkere materie te vinden, hebben onderzoekers wiskundige handtekeningen van een axion in een exotisch materiaal hier op aarde ontdekt.
Het nieuw ontdekte axion is niet echt een deeltje zoals we het normaal denken: het werkt als een golf van elektronen in een onderkoeld materiaal dat bekend staat als een halfmetaal. Maar de ontdekking zou de eerste stap kunnen zijn in het aanpakken van een van de grootste onopgeloste problemen in de deeltjesfysica.
De axion is een kandidaat voor donkere materie, omdat hij, net als donkere materie, niet echt kan interageren met gewone materie. Deze afstandelijkheid maakt de axion, indien aanwezig, ook uiterst moeilijk te detecteren. Dit vreemde deeltje kan ook helpen bij het oplossen van een langdurig raadsel in de natuurkunde dat bekend staat als 'het sterke CP-probleem'. Om de een of andere reden lijken de natuurwetten hetzelfde te werken op deeltjes en hun antimateriepartners, zelfs als hun ruimtelijke coördinaten zijn omgekeerd. Dit fenomeen staat bekend als symmetrie van de ladingspariteit, maar de bestaande natuurkundetheorie zegt dat er geen reden is waarom deze symmetrie bestaan. De onverwachte symmetrie kan verklaard worden door het bestaan van een speciaal veld; het detecteren van een axion zou bewijzen dat dit veld bestaat en dit mysterie zou oplossen.
Omdat wetenschappers denken dat het spookachtige, neutrale deeltje nauwelijks in wisselwerking staat met gewone materie, hebben ze aangenomen dat het moeilijk te detecteren zou zijn met bestaande ruimtetelescopen. Dus besloten de onderzoekers om iets meer op de aarde te proberen, met behulp van een vreemd materiaal dat bekend staat als gecondenseerde materie.
Experimenten met gecondenseerde materie zoals die van de onderzoekers zijn gebruikt om ongrijpbare voorspelde deeltjes te "vinden" in verschillende bekende gevallen, waaronder die van de majorana-fermion. De deeltjes worden niet in de gebruikelijke zin gedetecteerd, maar worden in plaats daarvan gevonden als collectieve trillingen in materialen die zich gedragen en precies reageren zoals het deeltje zou doen.
"Het probleem met het kijken naar de ruimte is dat je je experimentele omgeving niet goed kunt beheersen", zegt co-auteur Johannes Gooth, een natuurkundige aan het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Duitsland. 'Je wacht tot een evenement plaatsvindt en probeert het te detecteren. Ik denk dat een van de mooie dingen van het omzetten van deze concepten van hoogenergetische fysica in gecondenseerde materie is dat je eigenlijk veel meer kunt doen.'
Het onderzoeksteam werkte met een Weyl-semimetaal, een bijzonder en vreemd materiaal waarin elektronen zich gedragen alsof ze geen massa hebben, geen interactie met elkaar hebben en in twee typen zijn opgesplitst: rechtshandig en linkshandig. De eigenschap rechts- of linkshandig te zijn wordt chiraliteit genoemd; chiraliteit in Weyl semimetalen is behouden, wat betekent dat er evenveel rechts- en linkshandige elektronen zijn. Door het halfmetaal af te koelen tot 12 graden Fahrenheit (minus 11 graden Celsius) konden de elektronen op elkaar inwerken en konden ze zichzelf condenseren tot een eigen kristal.
Trillingsgolven die door kristallen reizen, worden fononen genoemd. Aangezien de vreemde wetten van de kwantummechanica dicteren dat deeltjes zich ook als golven kunnen gedragen, zijn er bepaalde fononen die dezelfde eigenschappen hebben als gewone kwantumdeeltjes, zoals elektronen en fotonen. Gooth en zijn collega's observeerden fononen in het elektronenkristal die reageerden op elektrische en magnetische velden, precies zoals axions voorspellen. Deze quasideeltjes hadden ook niet hetzelfde aantal rechts- en linkshandige deeltjes. (Natuurkundigen voorspelden ook dat axions het behoud van chiraliteit zouden doorbreken.)
"Het is bemoedigend dat deze vergelijkingen zo natuurlijk en dwingend zijn dat ze in de natuur worden gerealiseerd in ten minste één omstandigheid", zegt MIT-theoretisch natuurkundige en Nobelprijswinnaar Frank Wilczek, die de axion oorspronkelijk in 1977 noemde. "Als we weten dat er enkele zijn materialen die axions bevatten, nou, misschien bevat het materiaal dat we ruimte noemen ook axions. " Wilczek, die niet betrokken was bij de huidige studie, suggereerde ook dat een materiaal als Weyl Semimetal ooit zou kunnen worden gebruikt als een soort "antenne" voor het detecteren van fundamentele axions, of axions die op zichzelf bestaan als deeltjes in het universum, in plaats van als collectieve trillingen.
Terwijl de zoektocht naar het axion als een onafhankelijk, eenzaam deeltje zal doorgaan, helpen dergelijke experimenten meer traditionele detectie-experimenten door limieten op te geven en de eigenschappen van het deeltje, zoals massa, te schatten. Dit geeft andere experimentalisten een beter idee waar ze deze deeltjes moeten zoeken. Het toont ook robuust aan dat het bestaan van een deeltje mogelijk is.
'Een theorie is eerst een wiskundig concept', zei Gooth. 'En het mooie van deze condensatie-fysica-experimenten is dat we kunnen aantonen dat dit soort wiskunde überhaupt in de natuur bestaat.'
