Кандидат на темную материю смог бы показать в лаборатории струнные эффекты

Расчеты показывают, как теоретические «аксионные струны» могли бы образовать странное поведение, если бы они изготавливались из экзотических материалов в лаборатории.

Об этом рассказывают в японском Институте физико-химических исследований (RIKEN).

Гипотетическая частица, которая могла бы разгадать одну из величайших загадок в космологии, стала чуть менее загадочной. Физик из RIKEN и два его коллеги раскрыли математические основы, которые могли бы объяснить, как так называемые аксионы могут генерировать струноподобные сущности, которые создают удивительное напряжение в лабораторных материалах.

Впервые аксион были предложены в 1970-х физиками, которые изучали теорию квантовой хромодинамики, описывающей, как некоторые элементарные частицы удерживаются вместе в атомном ядре. Проблема заключалась в том, что эта теория предполагала некоторые причудливые свойства для известных частиц, которые не наблюдалось. Чтобы исправить это, физики позиционировали новую частицу - позже названную аксином, по названию стирального порошка, так как это помогло очистить беспорядок в теории.

Вскоре физики поняли, что аксионы также могут объяснить космическую загадку. Считается, что более 80% материи во Вселенной состоит из таинственного невидимого вещества, называемого темной материей. «Аксион является кандидатом на темную материю, но мы их еще не нашли», - говорит Йошимаса Хидака из Междисциплинарной программы теоретических и математических наук RIKEN. Аксионы могут иметь надлежащие свойства, поэтому физики искали признаки их существования во время многочисленных экспериментов. В июне 2020 года эксперимент XENON1T в лаборатории Гран-Сассо в Италии сообщил о намеках, что возможно был обнаружен аксион, но этот результат еще не подтвержден.

Но есть еще одна арена, где можно изучать свойства аксиноов. Физики могут изготавливать в лаборатории экзотические материалы - так называемые топологические изоляторы, которые проявляют удивительные свойства, такие как проведение электричества на своих поверхностях, при этом оставаясь внутри электрическими изоляторами. Такие материалы демонстрируют другое странное поведение. Иногда их электроны группируются вместе и движутся таким образом, что материал, как кажется, сделан из «квазичастиц» с необычными свойствами. Это может создать неожиданное напряжение на материале, что называется аномальным эффектом Холла.

Также предполагается, что таким образом возникнет аксион, в топологических изоляторах, где он должен взаимодействовать с частицами света, или фотонами, - иным образом, чем обычные частицы.

В настоящее время Хидака и его два коллеги изучили теорию, регулирующую взаимодействие между аксионами и фотонами. Несмотря на то, что аксионы является точкоподобными частицами, команда подсчитала, что внутри материалов свет на самом деле взаимодействует с протяженными нитевидными конфигурациями, состоящими из аксионов, которые называются аксионными струнами. Это могло бы привести к аномальному эффекту Холла, который наблюдается в экспериментах.

«Мы нашли математическую структуру, лежащую в основе этого явления», - говорит Хидака.