科学者たちはついに、通常の物質とほとんど相互作用しない、とらえどころのない粒子であるアキシオンの痕跡を見つけました。アキシオンは40年以上前に最初に予測されましたが、今まで見られたことはありません。
科学者たちは、暗黒物質、つまり私たちの宇宙に浸透する目に見えない物質はアクシオンでできている可能性があると示唆しています。しかし、研究者たちは、宇宙の奥深くにあるダークマターのアクシオンを見つけるのではなく、この地球上のエキゾチックな物質に含まれるアクシオンの数学的特徴を発見しました。
新しく発見されたアクシオンは、私たちが通常考えるほど粒子ではありません。それは、半金属として知られている過冷却された物質中で電子の波として機能します。しかし、この発見は素粒子物理学における未解決の主要な問題の1つに取り組むための最初のステップになる可能性があります。
アキシオンはダークマターの候補です。ダークマターと同様に、通常のマターと相互作用することができないからです。この高尚さはまた、存在する場合、アクシオンを検出することを非常に困難にします。この奇妙な粒子は、「強いCP問題」として知られている、物理学における長年の難問の解決にも役立ちます。何らかの理由で、空間座標が反転している場合でも、物理法則は粒子とその反物質パートナーに同じように作用するように見えます。この現象は電荷パリティ対称性として知られていますが、既存の物理学理論ではこの対称性が存在します。予期しない対称性は、特別なフィールドの存在によって説明できます。アクシオンを検出すると、このフィールドが存在することが証明され、この謎が解決されます。
科学者は、幽霊のような中性粒子は通常の物質とほとんど相互作用しないと信じているため、既存の宇宙望遠鏡を使用して検出するのは難しいと考えています。そこで研究者たちは、凝縮物質と呼ばれる奇妙な物質を使用して、地球にもっと何かを試みることを決心しました。
研究者が行ったような凝縮物質実験は、マヨラナフェルミオンを含むいくつかのよく知られたケースで、とらえどころのない予測粒子を「見つける」ために使用されてきました。粒子は通常の意味では検出されませんが、代わりに、粒子のように動作して応答する材料の集団振動として検出されます。
「宇宙を見る際の問題は、実験環境をうまく制御できないことです」と、ドイツのマックス・プランク固体化学研究所の物理学者である研究共著者のヨハネス・グース氏は述べた。 「イベントが発生するのを待って、それを検出しようとします。高エネルギー物理学のこれらの概念を凝縮物に取り入れることの素晴らしい点の1つは、実際にはもっと多くのことができるということです。」
研究チームは、電子が質量がないかのように振る舞い、互いに相互作用せず、右利きと左利きの2つのタイプに分かれる特殊で奇妙な物質であるワイル半金属を使用しました。右利きまたは左利きの特性はキラリティーと呼ばれます。ワイル半金属のキラリティーは保存されます。つまり、右手系と左手系の電子の数が等しくなります。半金属を華氏12度（マイナス11度）に冷却すると、電子が相互作用し、自分自身の結晶に凝縮します。
結晶を伝わる振動の波はフォノンと呼ばれます。量子力学の奇妙な法則は、粒子も波として振る舞うことができることを示しているため、電子や光子などの一般的な量子粒子と同じ特性を持つ特定のフォノンがあります。グースと彼の同僚は、アキシオンが予測されるのとまったく同じように電場と磁場に応答する電子結晶のフォノンを観察しました。これらの準粒子も、右手と左手が同数ではありませんでした。 （物理学者たちはまた、アクシオンがキラリティーの保存を壊すだろうと予測していました。）
「これらの方程式が非常に自然で説得力があり、少なくとも1つの状況で自然に実現されることは心強い」アクシオンをホストするマテリアル、まあ、おそらく私たちがスペースと呼ぶマテリアルもアクシオンを収容しています。」現在の研究に関わっていなかったWilczekはまた、Weylセミメタルのような材料が、いつの日か基本的な軸索、または宇宙の粒子として独自に存在する軸索を検出するための一種の「アンテナ」として使用できることを示唆しました、集団的な振動というよりも。
独立した孤立した粒子としてのアキシオンの検索は続行されますが、このような実験は、質量などの粒子の特性に制限と推定値を提供することにより、従来の検出実験に役立ちます。これにより、他の実験家は、これらの粒子を探す場所をよりよく理解できます。また、粒子の存在が可能であることを確実に示します。
「理論はまず数学的な概念です」とグースは言った。 「そして、これらの物性物理学実験の美しさは、この種の数学が自然界に存在することを示すことができるということです。」
