Uma equipe interdisciplinar liderada por físicos do Boston College descobriu uma nova partícula – ou uma excitação quântica anteriormente indetectável – conhecida como modo Higgs axial, um parente magnético da partícula Higgs Boson, que define a massa, relata a equipe na revista Nature. Crédito: Natureza
Materiais que contêm o modo axial de Higgs podem servir como sensores quânticos para avaliar outros sistemas quânticos e ajudar a responder a perguntas persistentes em física de partículas.
De acordo com o Modelo Padrão de Física de Partículas, a melhor teoria atual dos cientistas para descrever os blocos de construção mais básicos do universo, partículas chamadas quarks (que compõem prótons e nêutrons) e léptons (que incluem elétrons) compõem toda a matéria conhecida. Partículas portadoras de força, que pertencem a um grupo mais amplo de bósons, influenciam os quarks e léptons.
Apesar do sucesso do Modelo Padrão em explicar o universo, ele tem suas limitações. Matéria escura e energia escura são dois exemplos, e é possível que novas partículas, ainda a serem descobertas, possam eventualmente resolver esses enigmas.
Hoje, uma equipe interdisciplinar de cientistas liderada por físicos do Boston College anunciou que descobriu uma nova partícula – ou excitação quântica anteriormente indetectável – conhecida como modo Higgs axial, um parente magnético da partícula Higgs Boson definidora de massa. A equipe publicou seu relatório hoje (8 de junho de 2022) na edição online da revista Natureza.
A detecção há uma década do tão procurado bóson de Higgs tornou-se central para a compreensão da massa. Ao contrário de seu pai, o modo Higgs axial tem um momento magnético, e isso requer uma forma mais complexa da teoria para explicar suas propriedades, disse o professor de física do Boston College Kenneth Burch, coautor principal do relatório “Axial Higgs Mode Detected by Interferência de caminho quântico em RTe3.”
As teorias que previam a existência de tal modo foram invocadas para explicar a “matéria escura”, o material quase invisível que compõe grande parte do universo, mas só se revela através da gravidade, disse Burch.
O bóson de Higgs é a partícula fundamental associada ao campo de Higgs, um campo que dá massa a outras partículas fundamentais, como elétrons e quarks. A massa de uma partícula determina o quanto ela resiste a mudar sua velocidade ou posição quando encontra uma força.
Enquanto o Higgs Boson foi revelado por experimentos em um enorme colisor de partículas, a equipe se concentrou no RTe3ou tritelureto de terras raras, um material quântico bem estudado que pode ser examinado à temperatura ambiente em um formato experimental de “mesa”.
“Não é todo dia que você encontra uma nova partícula na sua mesa”, disse Burch.
RTe3 tem propriedades que imitam a teoria que produz o modo axial de Higgs, disse Burch. Mas o desafio central em encontrar partículas de Higgs em geral é seu fraco acoplamento a sondas experimentais, como feixes de luz, disse ele. Da mesma forma, revelar as propriedades quânticas sutis das partículas geralmente requer configurações experimentais bastante complexas, incluindo ímãs enormes e lasers de alta potência, enquanto resfriam amostras a temperaturas extremamente frias.
A equipe relata que superou esses desafios por meio do uso exclusivo do espalhamento de luz e escolha adequada do simulador quântico, essencialmente um material que imita as propriedades desejadas para estudo.
Especificamente, os pesquisadores se concentraram em um composto conhecido por possuir uma “onda de densidade de carga”, ou seja, um estado em que os elétrons se auto-organizam com uma densidade periódica no espaço, disse Burch.
A teoria fundamental desta onda imita componentes do modelo padrão da física de partículas, acrescentou. No entanto, neste caso, a onda de densidade de carga é bastante especial, surge muito acima da temperatura ambiente e envolve a modulação tanto da densidade de carga quanto das órbitas atômicas. Isso permite que o bóson de Higgs associado a essa onda de densidade de carga tenha componentes adicionais, ou seja, pode ser axial, o que significa que contém momento angular.
Para revelar a natureza sutil desse modo, Burch explicou que a equipe usou dispersão de luz, onde um laser brilha no material e pode mudar de cor e polarização. A mudança de cor resulta da luz criando o bóson de Higgs no material, enquanto a polarização é sensível aos componentes de simetria da partícula.
Além disso, através da escolha adequada do incidente e da polarização de saída, a partícula pode ser criada com diferentes componentes – como um magnetismo ausente ou um componente apontando para cima. Explorando um aspecto fundamental da mecânica quântica, eles usaram o fato de que, para uma configuração, esses componentes se cancelam. No entanto, para uma configuração diferente, eles adicionam.
“Como tal, fomos capazes de revelar o componente magnético oculto e provar a descoberta do primeiro modo axial de Higgs”, disse Burch.
“A detecção do Higgs axial foi prevista na física de partículas de alta energia para explicar a matéria escura”, disse Burch. “No entanto, nunca foi observado. Sua aparição em um sistema de matéria condensada foi completamente surpreendente e anuncia a descoberta de um novo estado de simetria quebrada que não havia sido previsto. Ao contrário das condições extremas normalmente necessárias para observar novas partículas, isso foi feito à temperatura ambiente em um experimento de mesa onde alcançamos o controle quântico do modo apenas alterando a polarização da luz”.
Burch disse que as técnicas experimentais aparentemente acessíveis e diretas implantadas pela equipe podem ser aplicadas para estudar em outras áreas.
“Muitos desses experimentos foram realizados por um estudante de graduação em meu laboratório”, disse Burch. “A abordagem pode ser aplicada diretamente às propriedades quânticas de vários fenômenos coletivos, incluindo modos em supercondutores, ímãs, ferroelétricos e ondas de densidade de carga. Além disso, trazemos o estudo da interferência quântica em materiais com fases correlacionadas e/ou topológicas à temperatura ambiente superando a dificuldade de condições experimentais extremas.
Além de Burch, os co-autores do Boston College do relatório incluíram o estudante de graduação Grant McNamara, o recém-formado de doutorado Yiping Wang e o pesquisador de pós-doutorado Md Mofazzel Hosen. Wang ganhou o prêmio de Melhor Dissertação em Magnetismo da American Physical Society, em parte por seu trabalho no projeto, disse Burch.
Burch disse que era crucial aproveitar a ampla gama de conhecimentos entre pesquisadores do BC, da Universidade de Harvard,[{” 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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