I fisici scoprono una nuova particella

Secondo secondo il modello standard della fisica delle particelle, l’attuale migliore teoria degli scienziati per descrivere gli elementi costitutivi più elementari dell’universo, particelle chiamate quark (che costituiscono protoni e neutroni) e leptoni (che includono elettroni) costituiscono tutta la materia conosciuta. Le particelle portatrici della forza, che appartengono a un gruppo più ampio di bosoni, influenzano i quark e i leptoni.

Nonostante il successo del Modello Standard nello spiegare l’universo, esistono degli evidenti limiti ancora da esplorare. La materia oscura e l’energia oscura sono due esempi, ed è possibile che esista qualche nuova particella, ancora da scoprire, che possa eventualmente risolvere questi enigmi.

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, come ha affermato Kenneth Burch, professore di fisica del Boston College, coautore principale del rapporto “Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe₃“.

Le teorie che prevedevano l’esistenza di una tale modalità sono state invocate per spiegare la “materia oscura“, il materiale che dovrebbe costituire gran parte dell’universo, rilevabile solo attraverso la gravità.

Mentre il bosone di Higgs è stato rivelato grazie agli esperimenti effettuati 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 la modalità 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. 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 attraverso l’uso unico della diffusione della luce e la 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“, vale a dire uno stato in cui gli elettroni si auto-organizzano con una densità periodica nello spazio.

La teoria fondamentale di questa onda imita i componenti del modello standard della fisica delle particelle. 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 detto 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. La sua apparizione in un sistema di materia condensata è stata del tutto sorprendente e annuncia la scoperta di un nuovo stato di rottura della simmetria 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, inclusi i modi nei superconduttori, i magneti, i materiali ferroelettrici e le onde di densità di carica. Inoltre, portiamo a temperatura ambiente lo studio dell’interferenza quantistica in materiali con fasi correlate e/o topologiche superando la difficoltà di condizioni sperimentali estreme”.

Riferimento: “Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe₃” di 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 e Kenneth S. Burch, 8 giugno 2022, Natura .
DOI: 10.1038/s41586-022-04746-6