Teadlased on lõpuks leidnud aksiooni jäljed - tabamatu osakese, mis harva suhestub normaalse ainega. Esmalt ennustati aksiooni üle 40 aasta tagasi, kuid seda pole seni nähtud.
Teadlased on pakkunud, et tume mateeria, meie universumit läbistav nähtamatu aine, võib olla valmistatud aksioonidest. Kuid selle asemel, et leida tumeaine aksioon sügavalt kosmosest, on teadlased avastanud siin Maa peal eksootilisest materjalist aksiooni matemaatilised allkirjad.
Äsja avastatud aksioon pole päris osake, nagu me tavaliselt arvame: toimib elektronide lainena ülejahutatud materjalis, mida tuntakse semimetallina. Kuid avastus võiks olla esimene samm osakeste füüsika ühe peamise lahendamata probleemi lahendamisel.
Aksioon on tumeda aine kandidaat, kuna nii nagu tumeaine, ei saa see ka normaalse mateeriaga tegelikult suhelda. See eemalolek muudab aksiooni olemasolu korral selle äärmiselt raskeks. See kummaline osake võib aidata lahendada ka füüsika pikaajalise probleemide lahendamise, mida tuntakse "tugeva CP-probleemina". Mingil põhjusel näivad füüsikaseadused osakeste ja nende antimaterjalipartnerite suhtes sama toimivat isegi siis, kui nende ruumilised koordinaadid on ümber pööratud. Seda nähtust nimetatakse laengu-pariteedi sümmeetriaks, kuid olemasoleva füüsika teooria kohaselt pole sellel sümmeetrial põhjust olemas olema. Ootamatut sümmeetriat saab seletada spetsiaalse välja olemasoluga; telje tuvastamine tõestaks selle välja olemasolu, lahendades selle mõistatuse.
Kuna teadlased usuvad, et kummituslik, neutraalne osake reageerib vaevalt tavalise mateeriaga, on nad eeldanud, et olemasolevate kosmoseteleskoopide abil on seda raske tuvastada. Nii otsustasid teadlased proovida midagi enamat Maa peal, kasutades kummalist materjali, mida tuntakse kondenseerunud ainena.
Teadlaste poolt läbi viidud kondenseerunud aine eksperimente on kasutatud mitmel üldtuntud juhul, sealhulgas majoraani fermiooni puhul, raskesti ennustatavate osakeste "leidmiseks". Osakesi ei tuvastata tavalises tähenduses, vaid leitakse selle asemel materjalide kollektiivse vibratsioonina, mis käituvad ja reageerivad täpselt nii, nagu osakesed seda teeksid.
"Avakosmose vaatamise probleem on see, et te ei saa oma eksperimentaalkeskkonda eriti hästi kontrollida," ütles uuringu kaasautor Johannes Gooth, Saksamaa Max Plancki Tahkete Keemiliste Füüsikute Instituudi füüsik. "Sa ootad, kuni sündmus aset leiab, ja üritad seda tuvastada. Ma arvan, et üks ilusaid asju nende kõrge energiafüüsika mõistete kondenseerunud aineks saamisel on see, et saate tegelikult teha palju rohkem."
Uurimisrühm töötas Weyli semimetalliga, erilise ja kummalise materjaliga, milles elektronid käituvad justkui neil poleks massi, nad ei suhtle omavahel ja jagunevad kahte tüüpi: paremakäelised ja vasakukäelised. Parema või vasakukäelise olemise omadust nimetatakse kiraalsuseks; kiraalsus Weyli poolmetallis säilib, see tähendab, et parema- ja vasakukäeliste elektronide arv on võrdne. Semimetalli jahutamine temperatuurini 12 kraadi Fahrenheiti (miinus 11 kraadi) võimaldas elektronidel suhelda ja kondenseeruda enda kristallideks.
Kristallide kaudu liikuvaid vibratsiooni laineid nimetatakse fononiteks. Kuna kvantmehaanika veidrad seadused näevad ette, et osakesed võivad käituda ka lainetena, on olemas teatud fononid, millel on samad omadused nagu tavalistel kvantosakestel, näiteks elektronid ja footonid. Gooth ja tema kolleegid täheldasid elektronkristallides fonone, mis reageerisid elektri- ja magnetväljale täpselt nagu aksioonidele ennustatakse. Neil nelinurkadel polnud ka võrdset arvu parema- ja vasakukäelisi osakesi. (Füüsikud ennustasid ka, et aksioonid rikuvad kiraalsuse säilimist.)
"On julgustav, et need võrrandid on nii loomulikud ja veenvad, et need realiseeruvad looduses vähemalt ühel juhul", ütles MIT teoreetiline füüsik ja Nobeli preemia laureaat Frank Wilczek, kes algselt nimetas telje 1977. aastal. "Kui me teame, et neid on materjalid, mis võõrustavad aksioone, noh, võib-olla see materjal, mida me nimetame kosmoseks, majutab ka aksioone. " Wilczek, kes ei olnud praeguses uuringus osalenud, soovitas samuti, et sellist materjali nagu Weyli semimetall võiks ühel päeval kasutada omamoodi "antennina" fundamentaalsete aksioonide ehk aksioonide tuvastamiseks, mis eksisteerivad iseenesest universumi osakestena, mitte kollektiivse vibratsioonina.
Ehkki aksiooni otsimist iseseisva üksiku osakesena jätkatakse, aitavad sellised katsed traditsioonilisemaid tuvastuskatseid, pakkudes osakese omaduste, näiteks massi, piiranguid ja hinnanguid. See annab teistele eksperimenteerijatele parema ülevaate, kust neid osakesi otsida. Samuti näitab see kindlalt, et osakese olemasolu on võimalik.
"Esiteks on teooria matemaatiline mõiste," ütles Gooth. "Ja nende kondenseeritud mateeria füüsikakatsete ilu seisneb selles, et suudame näidata, et selline matemaatika on looduses üldse olemas."
