اكتشف العلماء أخيرًا آثارًا لمحور المحور ، وهو جسيم مراوغ نادرًا ما يتفاعل مع المادة الطبيعية. تم توقع المحور الجديد لأول مرة منذ أكثر من 40 عامًا ولكن لم يتم رؤيته حتى الآن.
اقترح العلماء أن المادة المظلمة ، وهي المادة غير المرئية التي تتخلل كوننا ، قد تكون مصنوعة من أكسيونات. ولكن بدلاً من إيجاد محور المادة المظلمة في أعماق الفضاء الخارجي ، اكتشف الباحثون توقيعات رياضية لمحور في مادة غريبة هنا على الأرض.
إن المحور المكتشف حديثًا ليس جسيمًا تمامًا كما نفكر فيه عادةً: فهو يعمل كموجة من الإلكترونات في مادة فائقة البرودة تعرف باسم نصف المعدن. لكن الاكتشاف يمكن أن يكون الخطوة الأولى في معالجة إحدى المشكلات الرئيسية التي لم يتم حلها في فيزياء الجسيمات.
المحور هو مرشح للمادة المظلمة ، لأنه ، تمامًا مثل المادة المظلمة ، لا يمكنه التفاعل مع المادة العادية. كما يجعل هذا الانعزال من الصعب للغاية اكتشاف المحور ، إذا كان موجودًا. يمكن أن يساعد هذا الجسيم الغريب أيضًا في حل لغز طويل الأمد في الفيزياء يعرف باسم "مشكلة CP القوية". لسبب ما ، يبدو أن قوانين الفيزياء تتصرف بنفس الطريقة على الجسيمات وشركائها في المادة المضادة ، حتى عندما يتم عكس إحداثياتها المكانية ، وتعرف هذه الظاهرة باسم تماثل تكافؤ الشحن ، لكن نظرية الفيزياء الحالية تقول أنه لا يوجد سبب لهذا التماثل يوجد. يمكن تفسير التماثل غير المتوقع بوجود مجال خاص ؛ إن الكشف عن محورين سيثبت أن هذا المجال موجود ، وحل هذا اللغز.
لأن العلماء يعتقدون أن الجسيم المحايد الشبح بالكاد يتفاعل مع المادة العادية ، فقد افترضوا أنه سيكون من الصعب اكتشافه باستخدام التلسكوبات الفضائية الموجودة. لذا قرر الباحثون تجربة شيء آخر على الأرض ، باستخدام مادة غريبة تعرف باسم المادة المكثفة.
تم استخدام تجارب المادة المكثفة مثل تلك التي أجراها الباحثون "لإيجاد" الجسيمات المراوغة المنبثقة في العديد من الحالات المعروفة جيدًا ، بما في ذلك حالة الفيرميون الكبرى. لم يتم الكشف عن الجسيمات بالمعنى المعتاد ، ولكن تم العثور عليها بدلاً من ذلك على أنها اهتزازات جماعية في المواد التي تتصرف وتستجيب تمامًا كما يفعل الجسيم.
قال المؤلف المشارك في الدراسة يوهانس جوث ، الفيزيائي بمعهد ماكس بلانك للفيزياء الكيميائية للمواد الصلبة في ألمانيا: "مشكلة النظر إلى الفضاء الخارجي هي أنه لا يمكنك التحكم في بيئتك التجريبية جيدًا". "تنتظر حدوث حدث وتحاول اكتشافه. أعتقد أن أحد الأشياء الجميلة في إدخال هذه المفاهيم للفيزياء عالية الطاقة إلى مادة مكثفة هو أنه يمكنك فعلًا فعل المزيد."
عمل فريق البحث مع Weyl semimetal ، مادة خاصة وغريبة تتصرف فيها الإلكترونات كما لو لم يكن لها كتلة ، ولا تتفاعل مع بعضها البعض وتنقسم إلى نوعين: اليد اليمنى واليسرى. خاصية كونها يمينية أو يسارية تسمى chirality ؛ يتم الحفاظ على chirality في Weyl semimetals ، مما يعني أن هناك أعدادًا متساوية من الإلكترونات اليمنى واليسرى. سمح تبريد النصف إلى 12 درجة فهرنهايت (ناقص 11 درجة مئوية) للإلكترونات بالتفاعل وتكثيف نفسها في بلورة خاصة بها.
تسمى موجات الاهتزازات التي تنتقل عبر البلورات بفونونات. نظرًا لأن القوانين الغريبة لميكانيكا الكم تملي أن الجسيمات يمكن أن تتصرف أيضًا كأمواج ، فهناك بعض الفونونات التي لها نفس خصائص جسيمات الكم الشائعة ، مثل الإلكترونات والفوتونات. لاحظ جوث وزملاؤه الفونونات في بلورة الإلكترون التي استجابت للمجالات الكهربائية والمغناطيسية تمامًا مثل التنبؤ بالمحور. لم يكن لهذه الجسيمات شبه المتساوية أعداد متساوية من الجسيمات اليمنى واليسرى. (تنبأ الفيزيائيون أيضًا بأن المِحور ستكسر المحافظة على الشيريالية.)
قال الفيزيائي النظري لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلشيك ، الذي أطلق اسم المحور في عام 1977: "من المشجع أن هذه المعادلات طبيعية ومقنعة لدرجة أنها تتحقق في الطبيعة في ظرف واحد على الأقل". المواد التي تستضيف الأكسيونات ، حسنًا ، ربما المواد التي نسميها الفضاء تحتوي أيضًا على أكسيونات. " كما اقترح ويلتشيك ، الذي لم يشارك في الدراسة الحالية ، أنه يمكن استخدام مادة مثل Weyl semimetal يومًا ما كنوع من "الهوائي" للكشف عن المحاور الأساسية ، أو المحاور الموجودة في حد ذاتها كجسيمات في الكون ، بدلاً من الاهتزازات الجماعية.
بينما سيستمر البحث عن المحور كجسيم مستقل وحيد ، فإن تجارب كهذه تساعد تجارب الكشف التقليدية أكثر من خلال توفير حدود وتقديرات لخصائص الجسيم ، مثل الكتلة. وهذا يعطي التجريبيين الآخرين فكرة أفضل عن مكان البحث عن هذه الجسيمات. كما يوضح بقوة أن وجود الجسيم ممكن.
قال جوث: "النظرية أولاً هي مفهوم رياضي". "وجمال هذه التجارب الفيزيائية للمادة المكثفة هو أنه يمكننا أن نثبت أن هذا النوع من الرياضيات موجود في الطبيعة على الإطلاق."
