اكتشف فريق متعدد التخصصات بقيادة علماء فيزياء كلية بوسطن جسيمًا جديدًا – أو إثارة كمومية لم يكن من الممكن اكتشافها سابقًا – يُعرف باسم وضع هيجز المحوري ، وهو قريب مغناطيسي لجسيم هيغز بوسون الذي يحدد الكتلة ، وفقًا لتقارير الفريق في دورية نيتشر. الائتمان: الطبيعة
يمكن للمواد التي تحتوي على وضع هيغز المحوري أن تعمل كمستشعرات كمومية لتقييم أنظمة كمومية أخرى وتساعد في الإجابة عن الأسئلة المستمرة في فيزياء الجسيمات.
بحسب ال النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، أفضل نظرية العلماء الحالية لوصف اللبنات الأساسية للكون ، الجسيمات المسماة الكواركات (التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات) واللبتونات (التي تشمل الإلكترونات) تشكل جميع المواد المعروفة. تؤثر الجسيمات الحاملة للقوة ، والتي تنتمي إلى مجموعة أوسع من البوزونات ، على الكواركات واللبتونات.
على الرغم من نجاح النموذج القياسي في شرح الكون ، إلا أن له حدوده. تعتبر المادة المظلمة والطاقة المظلمة مثالين ، ومن المحتمل أن الجسيمات الجديدة ، التي لم يتم اكتشافها بعد ، يمكن أن تحل هذه الألغاز في النهاية.
اليوم ، أعلن فريق متعدد التخصصات بقيادة علماء فيزياء كلية بوسطن أنهم اكتشفوا جسيمًا جديدًا – أو إثارة كمومية لم يكن من الممكن اكتشافها سابقًا – يُعرف باسم وضع هيغز المحوري ، وهو قريب مغناطيسي لجسيم هيغز بوسون الذي يحدد الكتلة. نشر الفريق تقريرهم اليوم (8 يونيو 2022) في النسخة الإلكترونية من المجلة طبيعة سجية.
أصبح اكتشاف Higgs Boson الذي طال انتظاره قبل عقد من الزمن محوريًا في فهم الكتلة. على عكس الأصل ، فإن وضع Higgs المحوري له لحظة مغناطيسية ، وهذا يتطلب شكلاً أكثر تعقيدًا من النظرية لشرح خصائصها ، كما قال أستاذ الفيزياء بكلية بوسطن ، كينيث بورش ، المؤلف المشارك الرئيسي لتقرير “وضع هيغز المحوري الذي تم اكتشافه بواسطة تداخل المسار الكمي في RTe3. “
تم استدعاء النظريات التي تنبأت بوجود مثل هذا الوضع لشرح “المادة المظلمة، “المادة غير المرئية تقريبًا التي تشكل جزءًا كبيرًا من الكون ، ولكنها تكشف عن نفسها فقط عن طريق الجاذبية ، كما قال بورتش.
بوزون هيغز هو الجسيم الأساسي المرتبط بمجال هيغز ، وهو مجال يعطي كتلة للجسيمات الأساسية الأخرى مثل الإلكترونات والكواركات. تحدد كتلة الجسيم مقدار مقاومته لتغيير سرعته أو موضعه عندما يواجه قوة.
بينما هيغز بوسون تم الكشف عنها من خلال تجارب في مصادم جسيمات ضخم ، ركز الفريق على RTe3، أو tritelluride الأرضية النادرة ، وهي مادة كمية مدروسة جيدًا يمكن فحصها في درجة حرارة الغرفة في شكل تجريبي “منضدي”.
قال بورش: “ليس كل يوم تجد جسيمًا جديدًا يجلس على سطح الطاولة”.
RTe3 قال بورش إن له خصائص تحاكي النظرية التي تنتج وضع هيغز المحوري. لكن التحدي الرئيسي في العثور على جسيمات هيغز بشكل عام هو ضعف اقترانها بالمسابير التجريبية ، مثل حزم الضوء ، كما قال. وبالمثل ، فإن الكشف عن الخصائص الكمومية الدقيقة للجسيمات يتطلب عادةً تجهيزات تجريبية معقدة إلى حد ما بما في ذلك المغناطيسات الهائلة والليزر عالي الطاقة ، مع تبريد العينات إلى درجات حرارة شديدة البرودة.
أفاد الفريق أنه تغلب على هذه التحديات من خلال الاستخدام الفريد لتشتت الضوء والاختيار المناسب لمحاكي الكم ، وهو في الأساس مادة تحاكي الخصائص المرغوبة للدراسة.
على وجه التحديد ، ركز الباحثون على مركب معروف منذ فترة طويلة بامتلاكه “موجة كثافة الشحنة” ، أي حالة حيث تنتظم الإلكترونات ذاتيًا بكثافة دورية في الفضاء ، على حد قول بورتش.
وأضاف أن النظرية الأساسية لهذه الموجة تحاكي مكونات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، تكون موجة كثافة الشحنة خاصة جدًا ، فهي تظهر أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة وتتضمن تعديلًا لكل من كثافة الشحنة والمدارات الذرية. يسمح هذا لـ Higgs Boson المرتبط بموجة كثافة الشحنة هذه بالحصول على مكونات إضافية ، أي أنه يمكن أن يكون محوريًا ، مما يعني أنه يحتوي على زخم زاوي.
من أجل الكشف عن الطبيعة الدقيقة لهذا الوضع ، أوضح بورش أن الفريق استخدم تشتت الضوء ، حيث يتم تسليط الليزر على المادة ويمكن أن يغير اللون وكذلك الاستقطاب. ينتج التغيير في اللون عن الضوء الذي يخلق بوزون هيجز في المادة ، بينما يكون الاستقطاب حساسًا لمكونات التماثل في الجسيم.
بالإضافة إلى ذلك ، من خلال الاختيار الصحيح للحدث والاستقطاب الخارج ، يمكن إنشاء الجسيم بمكونات مختلفة – مثل مغناطيسية واحدة غائبة ، أو مكون يشير إلى أعلى. مستغلين جانبًا أساسيًا من ميكانيكا الكم ، استخدموا حقيقة أن هذه المكونات تلغي في تكوين واحد. ومع ذلك ، من أجل تكوين مختلف يضيفون.
قال بورش: “على هذا النحو ، تمكنا من الكشف عن المكون المغناطيسي المخفي وإثبات اكتشاف وضع هيغز المحوري الأول”.
قال بورش: “تم التنبؤ باكتشاف هيجز المحوري في فيزياء الجسيمات عالية الطاقة لشرح المادة المظلمة”. “ومع ذلك ، لم يتم ملاحظته أبدًا. كان ظهوره في نظام مادة مكثفة مفاجئًا تمامًا وينذر باكتشاف حالة تناظر جديدة مكسورة لم يتم التنبؤ بها. على عكس الظروف القاسية المطلوبة عادة لمراقبة الجسيمات الجديدة ، تم إجراء ذلك في درجة حرارة الغرفة في تجربة على الطاولة حيث نحقق التحكم الكمي في الوضع بمجرد تغيير استقطاب الضوء. “
قال بورش إن الأساليب التجريبية التي يبدو أنها سهلة المنال والمباشرة التي نشرها الفريق يمكن تطبيقها للدراسة في مناطق أخرى.
قال بورش: “تم إجراء العديد من هذه التجارب بواسطة طالب جامعي في مختبري”. يمكن تطبيق هذا النهج بشكل مباشر على الخصائص الكمومية للعديد من الظواهر الجماعية بما في ذلك الأنماط في الموصلات الفائقة والمغناطيس والكهرباء الفيروكهربائية وموجات كثافة الشحنة. علاوة على ذلك ، نأتي بدراسة التداخل الكمي في المواد ذات الأطوار المترابطة و / أو الطوبولوجية لدرجة حرارة الغرفة للتغلب على صعوبة الظروف التجريبية القاسية.
بالإضافة إلى بيرش ، شمل المؤلفون المشاركون في التقرير بكلية بوسطن الطالب الجامعي غرانت ماكنمارا ، والدكتوراه حديثًا ييبينغ وانغ ، وباحث ما بعد الدكتوراه إم. قالت بورش إن وانغ فازت بجائزة أفضل أطروحة في المغناطيسية من الجمعية الفيزيائية الأمريكية ، وذلك جزئيًا لعملها في المشروع.
قال بورش إنه كان من الأهمية بمكان الاستفادة من مجموعة واسعة من الخبرات بين الباحثين من BC ، جامعة هارفارد ،[{” attribute=””>Princeton University, the University of Massachusetts, Amherst, Yale University, University of Washington, and the Chinese Academy of Sciences.
“This shows the power of interdisciplinary efforts in revealing and controlling new phenomena,” Burch said. “It’s not every day you get optics, chemistry, physical theory, materials science and physics together in one work.”
Reference: “Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe3” by Yiping Wang, Ioannis Petrides, Grant McNamara, Md Mofazzel Hosen, Shiming Lei, Yueh-Chun Wu, James L. Hart, Hongyan Lv, Jun Yan, Di Xiao, Judy J. Cha, Prineha Narang, Leslie M. Schoop and Kenneth S. Burch, 8 June 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04746-6
Funding: U.S. Department of Energy
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”