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| Un equipo interdisciplinar dirigido por físicos del Boston College ha descubierto una nueva partícula -o una excitación cuántica hasta ahora indetectable- conocida como modo axial de Higgs, un pariente magnético de la partícula del Bosón de Higgs que define la masa, según informa el equipo en la revista Nature. Crédito: Nature |
La observación del bosón de Higgs consolidó el modelo estándar de la física de partículas. Sin embargo, las explicaciones de anomalías como la materia oscura se basan en una mayor ruptura de la simetría, lo que exige un modo axial de Higgs no descubierto.
Un equipo interdisciplinar dirigido por físicos del Boston College ha descubierto una nueva partícula -o excitación cuántica hasta ahora indetectable- conocida como modo axial de Higgs, un pariente magnético de la partícula Bosón de Higgs que define la masa. A diferencia de su progenitor, el modo axial de Higgs tiene un momento magnético. Requiere una forma de teoría más compleja para explicar sus propiedades.
El profesor de física del Boston College Kenneth Burch, coautor principal del informe, dijo: "Se han invocado teorías que predecían la existencia de dicho modo para explicar la materia oscura".
Los científicos se centraron en un material cuántico bien estudiado llamado RTe3, o teluro de tierras raras, en un formato experimental de mesa. Las propiedades del material imitan la teoría que produce el modo axial de Higgs. Sin embargo, el reto de encontrar partículas de Higgs, en general, es su débil acoplamiento a las sondas experimentales, como los haces de luz.
Según Burch, "revelar las sutiles propiedades cuánticas de las partículas suele requerir montajes experimentales bastante complejos que incluyen enormes imanes y láseres de alta potencia, al tiempo que se enfrían las muestras a temperaturas extremadamente frías".
Los científicos superaron estos retos utilizando una técnica de dispersión de la luz y la elección adecuada de un simulador cuántico, esencialmente un material que imita las propiedades deseadas para el estudio. Se centraron principalmente en un compuesto del que se sabe desde hace tiempo que posee una "onda de densidad de carga", es decir, un estado en el que los electrones se autoorganizan con una densidad periódica en el espacio.
Según Burch, "la teoría fundamental de esta onda imita componentes del modelo estándar de la física de partículas. Sin embargo, en este caso, la onda de densidad de carga (CDW) es bastante especial".
La CDW se origina muy por encima de la temperatura ambiente y supone una modulación de la densidad de carga y de las órbitas atómicas. Esto permite que el Bosón de Higgs asociado a esta onda de densidad de carga tenga componentes adicionales, es decir, podría ser axial, lo que significa que contiene momento angular.
Leter, los científicos utilizaron la dispersión de luz para determinar la naturaleza sutil de este modelo. Hicieron brillar un láser sobre el material. El cambio de color se debe a que la luz crea el Bosón de Higgs en el material, mientras que la polarización es sensible a los componentes de simetría de la partícula.
Además, los científicos podrían crear la partícula con diferentes componentes gracias a la elección adecuada de la polarización incidente y saliente, como una ausente de magnetismo o una componente que apunte hacia arriba. Utilizando un aspecto fundamental de la mecánica cuántica, aprovecharon el hecho de que para una configuración, estos componentes se cancelan. Sin embargo, para una configuración diferente.
Burch dijo: "De este modo, pudimos revelar el componente magnético oculto y probar el descubrimiento del primer modo axial de Higgs".
"La detección del Higgs axial se predijo en la física de partículas de alta energía para explicar la materia oscura. Sin embargo, nunca se ha observado. Su aparición en un sistema de materia condensada fue completamente sorprendente y anuncia el descubrimiento de un nuevo estado de simetría rota que no se había predicho. A diferencia de las condiciones extremas que suelen requerirse para observar nuevas partículas, esto se hizo a temperatura ambiente en un experimento de mesa en el que logramos el control cuántico del modo con sólo cambiar la polarización de la luz".
Según Burch, "las técnicas experimentales aparentemente accesibles y sencillas desplegadas por el equipo pueden aplicarse al estudio en otras áreas."
"Muchos de estos experimentos fueron realizados por un estudiante de mi laboratorio. El enfoque puede aplicarse directamente a las propiedades cuánticas de numerosos fenómenos colectivos, incluidos los modos en superconductores, imanes, ferroeléctricos y ondas de densidad de carga. Además, llevamos el estudio de la interferencia cuántica en materiales con fases correlacionadas y/o topológicas a temperatura ambiente superando la dificultad de las condiciones experimentales extremas."
Fuentes, créditos y referencias:
Wang, Y., Petrides, I., McNamara, G. et al. Modo de Higgs axial detectado por interferencia de vía cuántica en RTe3. Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04746-6