Физики впервые создали квазичастицы, имитирующие аксионы темной материи

Ученые впервые создали имитацию аксиона — гипотетической субатомной частицы, которая может быть ключом к тайне темной материи. Эксперимент, проведенный в тонком слое материала, показал, как квазичастицы ведут себя почти как настоящие аксионы. Это открытие, опубликованное в журнале Nature, приближает нас к пониманию невидимой материи, составляющей около 27% Вселенной.

Аксион — это предполагаемая частица, которую пока никто не видел. Ученые считают, что она может объяснить темную материю — невидимую субстанцию, влияющую на гравитацию и движение галактик, но не излучающую и не поглощающую свет. Представьте темную материю как невидимый каркас, удерживающий Вселенную и без нее галактики бы разлетелись. Поймать аксион сложно, но его «двойник» в лаборатории — уже огромное достижение для науки.

Как создали «аксионного двойника»?

Команда под руководством химика Суяна Сюя из Гарвардского университета использовала теллурид марганца-висмута — материал, созданный лишь в 2019 году. Этот материал уникален: в нем электрическое и магнитное поля связаны. Например, если подать электрический ток — материал намагничивается. Именно эта связь позволила создать аксионную квазичастицу.

Квазичастица — это не настоящая частица, а коллективное движение множества частиц в материале, ведущее себя как единое целое. Представьте волну на стадионе, когда тысячи людей встают и садятся, создавая «движение», которого нет у отдельного человека. В эксперименте ученые запустили магнитную волну (магнон) с помощью лазера, а затем другим лазером измерили колебания связи между электрическим и магнитным полями. Эти колебания — «визитная карточка» аксионной квазичастицы.

Исследователи впервые напрямую наблюдали аксионную квазичастицу, подтвердив идею, предложенную в теории еще в 2010 году. Раньше были лишь косвенные намеки на такие квазичастицы в других материалах, но теперь доказательства точные. Более того, теллурид марганца-висмута может стать основой для детектора настоящих аксионов. Если настоящий аксион попадет в магнитное поле материала, он превратится в фотон (частицу света), который усилится благодаря квазичастице и станет видимым. 

«Это весьма впечатляющая работа. Это первое наблюдение чего-то вроде аксионных частиц», — отметил Сонгшик О, физик и соавтор исследования