Кандидат на темну матерію зміг би показати в лабораторії струнні ефекти

Розрахунки показують, як теоретичні «аксіонні струни» могли б утворити дивну поведінку, якщо б вони виготовлялися з екзотичних матеріалів у лабораторії.

Про це розповідають в японському Інституті фізико-хімічних досліджень (RIKEN).

Гіпотетична частинка, яка могла б розгадати одну з найбільших загадок у космології, стала трохи менш загадковою. Фізик з RIKEN та два його колеги розкрили математичні основи, які могли би пояснити, як так звані аксіони можуть генерувати струноподібні сутності, які створюють дивну напругу в лабораторних матеріалах.

Вперше аксіони були запропоновані у 1970-х фізиками, які вивчали теорію квантової хромодинаміки, яка описує, як деякі елементарні частинки утримуються разом в атомному ядрі. Проблема полягала в тому, що ця теорія передбачала деякі химерні властивості для відомих частинок, яких не спостерігалося. Щоби виправити це, фізики позиціонували нову частинку – пізніше названу аксіоном, за назвою прального порошку, оскільки це допомогло очистити безлад у теорії.

Невдовзі фізики зрозуміли, що аксіони також можуть пояснити космічну загадку. Вважається, що понад 80% матерії у Всесвіті складається з таємничої невидимої речовини, яку називають темною матерією. «Аксіони є кандидатом на темну матерію, але ми їх ще не знайшли», - говорить Йошимаса Хідака з Міждисциплінарної програми теоретичних та математичних наук RIKEN. Аксіони можуть мати належні властивості, тому фізики шукали ознаки їх існування під час численних експериментів. У червні 2020 року експеримент XENON1T в лабораторії Гран-Сассо в Італії повідомив про натяки, що можливо був виявлений аксіон, але цей результат ще не підтверджений.

Але є ще одна арена, де можна вивчати властивості аксіонів. Фізики можуть виготовляти в лабораторії екзотичні матеріали - так звані топологічні ізолятори, які проявляють дивні властивості, такі як проведення електрики на своїх поверхнях, при цьому залишаючись всередині електричними ізоляторами. Такі матеріали демонструють іншу дивну поведінку. Іноді їх електрони групуються разом і рухаються таким чином, що матеріал, як здається, зроблений із «квазічастинок» з незвичними властивостями. Це може створити несподівану напругу на матеріалі, що називається аномальним ефектом Холла.

Також передбачається, що таким чином виникне аксіон, в топологічних ізоляторах, де він повинен взаємодіяти з частинками світла, або фотонами, - інакшим чином, ніж звичайні частинки.

На даний час Хідака та його два колеги вивчили теорію, що регулює взаємодію між аксіонами та фотонами. Незважаючи на те, що аксіони є точкоподібними частинками, команда підрахувала, що всередині матеріалів світло насправді взаємодіє з протяжними ниткоподібними конфігураціями, складеними з аксіонів, які називаються аксіонними струнами. Це могло би призвести до аномального ефекту Холла, який спостерігається в експериментах.

«Ми знайшли математичну структуру, що лежить в основі цього явища», - говорить Хідака.