Кандидат на темную материю может показывать необычные эффекты
Гипотетическая частица, способная решить одну из самых больших загадок в космологии, стала чуть менее загадочной. Физики RIKEN раскрыли математические основы, которые могут объяснить, как так называемые аксионы могут генерировать струнные сущности, которые создают странное напряжение в лабораторных материалах.
Аксионы были впервые предложены в 1970-х годах физиками, изучающими теорию квантовой хромодинамики, которая описывает, как некоторые элементарные частицы удерживаются вместе внутри атомного ядра.
Проблема заключалась в том, что эта теория предсказывала некоторые странные свойства известных частиц, которые не наблюдаются. Чтобы исправить это, физики постулировали новую частицу, позже названную аксионом, в честь марки стирального порошка, поскольку она помогла навести порядок в теории.
Вскоре физики поняли, что аксионы могут решить и космическую головоломку. Считается, что более 80% материи во Вселенной состоит из загадочного невидимого вещества, получившего название темной материи.
«Аксионы являются кандидатом на образование темной материи, но мы еще не нашли их», — говорит Йошимаса Хидака из Междисциплинарной программы теоретических и математических наук RIKEN. Аксионы могли иметь нужные свойства, поэтому физики искали признаки их существования в многочисленных экспериментах.
В июне 2020 года эксперимент XENON1T в лаборатории Гран-Сассо в Италии сообщил, что они могли обнаружить аксион, но этот результат еще не подтвержден.
Но есть еще одна область, где можно изучать свойства аксионов. Физики могут создавать в лаборатории экзотические материалы, называемые топологическими изоляторами, которые проявляют странные свойства, например, проводят электричество на своей поверхности, оставаясь при этом электрическими изоляторами внутри.
Такие материалы демонстрируют другое странное поведение. Иногда их электроны группируются и движутся таким образом, что кажется, что материал состоит из «квазичастиц» с необычными свойствами. Это может создать неожиданное напряжение на материале, называемое аномальным эффектом Холла.
Также предсказывается, что аксион возникает таким же образом в топологических изоляторах, где он должен взаимодействовать с частицами света или фотонами иначе, чем с обычными частицами.
Йошимаса Хидака и двое его коллег изучили теорию взаимодействия аксионов и фотонов. Несмотря на то, что аксионы являются точечными частицами, физики подсчитали, что в материалах свет на самом деле может взаимодействовать с протяженными нитевидными конфигурациями, состоящими из аксионов, называемыми аксионными струнами. Это привело бы к аномальному эффекту Холла, который наблюдается в экспериментах.
«Мы нашли математическую структуру, лежащую в основе этого явления», — сказал Йошимаса Хидака.
Yoshimasa Hidaka et al. Higher-form symmetries and 3-group in axion electrodynamics, Physics Letters B (2020). DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135672