物理學家發現希格斯玻色子的親戚：一種從未見過的粒子

研究人員發現了一種新的粒子，它是希格斯玻色子的一個磁性親戚。希格斯玻色子的發現需要大型強子對撞機（LHC）巨大的粒子加速能力，而這種從未見過的粒子 - 被稱為軸向希格斯玻色子是通過一個可以放在台面上的實驗發現的。

希格斯玻色子的這個磁性表親--負責賦予其他粒子質量的粒子還可能是暗物質的一個候選者，暗物質佔宇宙總質量的85%t，但從來沒有現身過，只通過引力暗示自己存在。

“當我的學生給我看這些數據時，我想她一定是錯了，“波士頓學院物理學教授、作出這一發現的團隊的首席研究員肯尼斯-伯奇告訴《生活科學》。“你不是每天都能找到一種坐在桌面上就能夠發現的新粒子。”

軸向希格斯玻色子與希格斯玻色子不同，後者在十年前的2012年首次被LHC的ATLAS和CMS探測器探測到，因為它有一個磁矩，一個產生磁場的磁力或方向。因此，它需要一個更復雜的理論來描述它，而不是其非磁性質量的"親屬”。

在粒子物理學的標準模型中，粒子從滲透到宇宙的不同領域中出現，其中一些粒子塑造了宇宙的基本力量。例如，光子介導電磁學，被稱為W和Z玻色子的巨大粒子介導弱核力，它在亞原子水平上支配着核衰變。然而，當宇宙年輕和炎熱時，電磁學和弱力可以被看成是同一種東西，因為所有這些粒子幾乎都是相同的。隨着宇宙的冷卻，弱電分裂，導致W和Z玻色子獲得了質量，並且與光子的行為非常不同，物理學家將這一過程稱為"對稱性破壞”。但是，這些以弱力為媒介的粒子究竟是如何變得如此沉重的呢？

事實證明，這些粒子與一個單獨的場相互作用，被稱為希格斯場。該場的擾動產生了希格斯玻色子，並使W和Z玻色子獲得了重量。

“希格斯玻色子是在自然界中產生的，只要這種對稱性被打破。“伯奇説：“然而，通常一次只有一個對稱性被打破，因此希格斯只是由其能量來描述。”

軸向希格斯玻色子背後的理論則更為複雜。

“在軸向希格斯玻色子的境況下，似乎多個對稱性被一起打破，導致理論的新形式和希格斯模式(像希格斯場這樣的量子場的特定振盪)，需要多個參數來描述它：具體而言是能量和磁動量，“伯奇説。

伯奇與同事在週三（6月8日）發表在《自然》雜誌上的一項研究中描述了新的磁性"希格斯表親”，他解釋説，原始的希格斯玻色子並不直接與光耦合，這意味着它必須通過用巨大的磁鐵和高功率激光器將其他粒子粉碎，同時將樣品冷卻到極低的温度來創造。正是這些原始粒子衰變成其他粒子的過程中，突然出現了希格斯粒子，從而揭示了它的存在。

另一方面，當室温量子材料模仿一組特定的振盪，稱為軸向希格斯模式時，產生了軸向希格斯玻色子。研究人員隨後利用光的散射來觀察該粒子。

“我們使用一個桌面光學實驗發現了軸向希格斯玻色子，該實驗位於一個大約1 x 1米的桌子上，通過聚焦於一種具有獨特屬性組合的材料，“伯奇繼續説道。“具體來説，我們使用了稀土三碲化物（RTe3）(一種具有高度2D晶體結構的量子材料)。RTe3中的電子自組織成一種波，其中電荷的密度週期性地增強或減少”。

這些在室温以上出現的電荷密度波的大小可以隨着時間的推移被調製，產生軸向希格斯模式。

在新的研究中，該團隊通過向RTe3晶體發送一種顏色的激光來創造軸向希格斯模式。在一個被稱為拉曼散射的過程中，光線散射並變成了一種頻率較低的顏色，而在顏色變化過程中損失的能量產生了軸向希格斯模式。研究小組隨後旋轉了晶體，發現軸向希格斯模式也控制了電子的角動量，或者它們在材料中的圓周運動速度，這意味着這種模式也必須具有磁性。

“最初我們只是在研究這種材料的光散射特性。當仔細檢查反應的對稱性時--當我們旋轉樣品時它是如何不同的--我們發現了異常的變化，這是新事物的最初暗示，“伯奇解釋説。“因此，它是第一個被發現的此類磁性希格斯，並表明RTe3中電子的集體行為不同於以前在自然界中看到的任何狀態。”

粒子物理學家以前曾預測過一種軸向希格斯模式，甚至用它來解釋暗物質，但這是第一次觀察到它。這也是科學家們第一次觀察到一個具有多個破缺對稱性的狀態。

當一個在所有方向看起來都一樣的對稱系統變得不對稱時，就會發生對稱性破壞。俄勒岡大學建議將其視為像一枚旋轉的硬幣，它有兩種可能的狀態。硬幣最終會落到它的正面和反面，從而釋放出能量並變得不對稱。

這種雙重對稱性的破壞仍然與當前的物理學理論相吻合，這一事實令人振奮，因為它可能是一種創造迄今未見的粒子的方式，可以被用來解釋暗物質。

伯奇説：“基本的想法是，為了解釋暗物質，你需要一個與現有粒子實驗相一致的理論，但產生尚未被看到的新粒子。通過軸向希格斯模式添加這種額外的對稱性破壞是實現這一目標的一種方式。“伯奇説，儘管物理學家已經預測到了，但對軸向希格斯玻色子的觀察對該團隊來説是一個驚喜，他們花了一年時間試圖驗證他們的結果。