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Un equipo interdisciplinario dirigido por físicos del Boston College ha descubierto una nueva partícula o un estímulo cuántico previamente no detectado conocido como el modo de Higgs, la relación magnética de una partícula de bosón de Higgs que determina la masa, informa el equipo en la revista Nature. Préstamo: Naturaleza
Los materiales que contienen el modo clave de Higgs pueden servir como sensores cuánticos para evaluar otros sistemas cuánticos, para ayudar a responder preguntas persistentes en la física de partículas.
Por: Modelo estándar de física de partículasLa mejor teoría actual de los científicos que describe los materiales de construcción más básicos del universo: partículas llamadas quarks (que forman protones y neutrones) y leptones (que forman electrones) forman todo el material conocido. Las partículas fuertes, que pertenecen a un grupo más amplio de bosones, afectan a los quarks և leptones.
A pesar del éxito del modelo estándar para explicar el universo, tiene sus limitaciones. Materia oscura և energía oscura son dos ejemplos, es posible que nuevas partículas que aún no se han descubierto eventualmente puedan resolver estos acertijos.
Un equipo interdisciplinario de científicos dirigido por físicos del Boston College anunció hoy que han descubierto una nueva partícula o una excitación cuántica no detectada anteriormente conocida como el modo clave de Higgs, la relación magnética de una partícula de bosón de Higgs que define la masa. El equipo publicó su informe hoy (8 de junio de 2022) en la edición en línea de la revista. Naturaleza:.
El descubrimiento del bosón de Higgs, buscado durante mucho tiempo hace una década, se volvió fundamental para la comprensión de la masa. A diferencia de su madre, el modo clave de Higgs tiene un momento magnético, lo que requiere una teoría más sofisticada para explicar sus propiedades, dice Kenneth Berch, profesor de física en el Boston College, coautor del informe Axial Higgs Mode Detected by. Interferencia de trayectoria cuántica en RTe3:»:
Las teorías que predijeron la existencia de tal régimen sirvieron para explicar «material oscuro«Materia casi invisible, que constituye la mayor parte del universo, pero solo se descubre por la gravedad», dijo Burch.
El bosón de Higgs es la partícula elemental asociada al campo de Higgs, un campo que da masa a otras partículas elementales, como los electrones y los quarks. La masa de una partícula determina cuánto resiste un cambio en su velocidad o posición cuando golpea una fuerza.
Mientras tanto bosón de Higgs revelado como resultado de experimentos de colisión de partículas en masa, el equipo se centró en RTe3:o un raro tritelururo terrestre, una sustancia cuántica bien estudiada que se puede estudiar a temperatura ambiente en una mesa de prueba.
«No todos los días encuentras una nueva partícula sentada en tu mesa», dijo Burch.
Ruta:3: tiene propiedades que imitan la teoría detrás del régimen clave de Higgs, dijo Burch. Pero el principal problema para encontrar partículas de Higgs es generalmente su débil conexión con las sondas experimentales, como los rayos de luz, dijo. De manera similar, la detección de propiedades cuánticas finas de partículas generalmente requiere configuraciones experimentales bastante complejas, incluidos imanes enormes, láseres potentes, mientras que las muestras se congelan a temperaturas extremadamente frías.
El equipo informa que ha superado estos desafíos al seleccionar el simulador cuántico correcto para usar la dispersión de luz única, que es esencialmente un material que imita las propiedades deseadas para el estudio.
En particular, los investigadores se han centrado en un compuesto que durante mucho tiempo se conoce como «onda de densidad de carga», un estado en el que los electrones se autoorganizan en densidades regulares en el espacio, dijo Burch.
La teoría fundamental de esta onda imita los componentes de un modelo estándar de física de partículas, agregó. Sin embargo, en este caso, la onda de densidad de carga es bastante específica, sube mucho más que la temperatura ambiente e implica la modulación tanto de la densidad de carga como de las órbitas atómicas. Esto permite que el bosón de Higgs tenga componentes adicionales asociados con esta onda de densidad de carga, en particular puede ser clave, lo que significa que contiene un momento angular.
Para exponer la naturaleza sutil de este modo, Burch explicó que el equipo usó dispersión de luz, donde los láseres brillan sobre un material que puede «cambiar de color cuando lo hace». El cambio de color ocurre porque la luz crea un bosón de Higgs en el material, mientras que la carga es sensible a los componentes de la simetría de las partículas.
Además, al seleccionar la salida incidente incidente correcta, la partícula se puede crear con diferentes componentes, como un solo imán faltante o un componente hacia arriba. Usando el aspecto fundamental de la mecánica cuántica, explotaron el hecho de que en una sola configuración, estos componentes se anulan. Sin embargo, para una configuración diferente, agregan:
«Como tal, pudimos descubrir el componente magnético oculto, para probar el descubrimiento del primer modo clave de Higgs», dijo Burch.
«El descubrimiento de Axis Higgs se predijo en la física de partículas de alta energía para explicar la materia oscura», dijo Burch. «Pero nunca se ha notado. Su aparición en el sistema de materia condensada fue bastante sorprendente, señalando el descubrimiento de un nuevo estado de simetría rota que no estaba previsto. «En contraste con las condiciones extremas que generalmente se requieren para observar nuevas partículas, esto se hizo durante un experimento a temperatura ambiente en el que logramos el control del modo cuántico simplemente cambiando la polarización de la luz».
Burch dijo que los métodos experimentales aparentemente simples utilizados por el equipo podrían usarse para explorar otras áreas.
«Muchos de estos experimentos fueron realizados por mi licenciatura de laboratorio», dijo Burch. «El enfoque se puede aplicar directamente a las propiedades cuánticas de muchos fenómenos colectivos, incluidos los superconductores, los imanes y los modos de densidad de onda ferroeléctrica. Además, llevamos el estudio de la interferencia cuántica en materiales con J/ o fases topológicas interconectadas a temperatura ambiente, superando la dificultad de las condiciones experimentales extremas.
Además de Burch, los coautores del Boston College incluyeron al estudiante de pregrado Grant McNamara, al estudiante de posgrado de doctorado Yipin Wang y al estudiante de doctorado. Mofazel Hossen. Wang recibió la mejor disertación magnética sobre la sociedad física estadounidense, en parte por su trabajo en el proyecto, dijo Burch.
Burch dijo que puede estar basado en la amplia experiencia de los investigadores de la Universidad de Harvard en BC.[{» 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
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