Un team interdisciplinare guidato dai fisici del Boston College ha scoperto una nuova particella, o eccitazione quantistica precedentemente non rilevabile, nota come modalità di Higgs assiale, un parente magnetico della particella del bosone di Higgs che definisce la massa, riporta il team nell'edizione online della rivista Natura .

Il rilevamento, dieci anni fa, del tanto ricercato bosone di Higgs è diventato fondamentale per la comprensione della massa. A differenza del suo genitore, la modalità di Higgs assiale ha un momento magnetico e ciò richiede una forma più complessa della teoria per spiegare le sue proprietà, ha affermato Kenneth Burch, professore di fisica del Boston College, coautore principale del rapporto "Modalità di Higgs assiale rilevata da Interferenza del percorso quantistico in RTe3."

Le teorie che prevedevano l'esistenza di tale modalità sono state invocate per spiegare la "materia oscura", il materiale quasi invisibile che costituisce gran parte dell'universo, ma si rivela solo attraverso la gravità, ha detto Burch.

Mentre il bosone di Higgs è stato rivelato da esperimenti in un enorme collisore di particelle, il team si è concentrato su RTe3, o tritelluride di terre rare, un materiale quantistico ben studiato che può essere esaminato a temperatura ambiente in un formato sperimentale "da tavolo".

"Non capita tutti i giorni di trovare una nuova particella sul tavolo", ha detto Burch.

RTe3 ha proprietà che imitano la teoria che produce il modo di Higgs assiale, ha detto Burch. Ma la sfida centrale nel trovare le particelle di Higgs in generale è il loro debole accoppiamento con le sonde sperimentali, come i fasci di luce, ha detto. Allo stesso modo, la rivelazione delle sottili proprietà quantistiche delle particelle di solito richiede configurazioni sperimentali piuttosto complesse che includono enormi magneti e laser ad alta potenza, mentre si raffreddano i campioni a temperature estremamente basse.

Il team riferisce di aver superato queste sfide grazie all'uso unico della diffusione della luce e alla scelta adeguata del simulatore quantistico, essenzialmente un materiale che imita le proprietà desiderate per lo studio.

In particolare, i ricercatori si sono concentrati su un composto noto da tempo per possedere un'"onda di densità di carica", ovvero uno stato in cui gli elettroni si auto-organizzano con una densità periodica nello spazio, ha affermato Burch.

La teoria fondamentale di questa onda imita i componenti del modello standard della fisica delle particelle, ha aggiunto. Tuttavia, in questo caso, l'onda di densità di carica è piuttosto speciale, emerge molto al di sopra della temperatura ambiente e comporta la modulazione sia della densità di carica che delle orbite atomiche. Ciò consente al bosone di Higgs associato a questa onda di densità di carica di avere componenti aggiuntivi, vale a dire che potrebbe essere assiale, il che significa che contiene momento angolare.

Per rivelare la natura sottile di questa modalità, Burch ha spiegato che il team ha utilizzato la diffusione della luce, in cui un laser viene puntato sul materiale e può cambiare colore e polarizzazione. Il cambiamento di colore risulta dalla luce che crea il bosone di Higgs nel materiale, mentre la polarizzazione è sensibile alle componenti di simmetria della particella.

Inoltre, attraverso la scelta corretta dell'incidente e della polarizzazione in uscita, la particella potrebbe essere creata con diversi componenti, come un magnetismo assente o un componente rivolto verso l'alto. Sfruttando un aspetto fondamentale della meccanica quantistica, hanno sfruttato il fatto che per una configurazione queste componenti si annullano. Tuttavia, per una configurazione diversa aggiungono.

"In quanto tale, siamo stati in grado di rivelare la componente magnetica nascosta e dimostrare la scoperta della prima modalità di Higgs assiale", ha affermato Burch.

"Il rilevamento dell'Higgs assiale è stato previsto nella fisica delle particelle ad alta energia per spiegare la materia oscura", ha detto Burch. "Tuttavia, non è mai stato osservato. Il suo aspetto in un sistema di materia condensata è stato completamente sorprendente e annuncia la scoperta di un nuovo stato di simmetria rotta che non era stato previsto. A differenza delle condizioni estreme tipicamente richieste per osservare nuove particelle, questo è stato fatto a temperatura ambiente in un esperimento da tavolo in cui otteniamo il controllo quantistico della modalità semplicemente cambiando la polarizzazione della luce."

Burch ha affermato che le tecniche sperimentali apparentemente accessibili e dirette implementate dal team possono essere applicate allo studio in altre aree.

"Molti di questi esperimenti sono stati eseguiti da uno studente universitario nel mio laboratorio", ha detto Burch. "L'approccio può essere applicato direttamente alle proprietà quantistiche di numerosi fenomeni collettivi, comprese le modalità nei superconduttori, magneti, materiale ferroelettrico e onde di densità di carica. Inoltre, portiamo lo studio dell'interferenza quantistica nei materiali con fasi correlate e/o topologiche a temperatura ambiente superando la difficoltà di condizioni sperimentali estreme."

Oltre a Burch, i coautori del rapporto del Boston College includevano lo studente universitario Grant McNamara, il neolaureato Yiping Wang e il ricercatore post-dottorato Md Mofazzel Hosen. Wang ha vinto la Best Dissertation in Magnetism dall'American Physical Society, in parte per il suo lavoro sul progetto, ha detto Burch.

Burch ha affermato che è fondamentale attingere all'ampia gamma di competenze tra i ricercatori della BC, dell'Università di Harvard, dell'Università di Princeton, dell'Università del Massachusetts, di Amherst, dell'Università di Yale, dell'Università di Washington e dell'Accademia cinese delle scienze.

"Questo mostra il potere degli sforzi interdisciplinari nel rivelare e controllare i nuovi fenomeni", ha detto Burch. "Non capita tutti i giorni di riunire ottica, chimica, teoria fisica, scienza dei materiali e fisica in un unico lavoro". + Esplora ulteriormente

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