神秘“軸向希格斯模式”新粒子發現有助解釋暗物質

美國波士頓學院物理學家領導的一個跨學科團隊發現了被稱為“軸向希格斯模式”的新粒子，這是一種以前無法檢測到的量子激發，也是著名的希格斯玻色子的磁性相對粒子。該研究成果在線發表于最近的《自然》雜志。

十年前探測到的希格斯玻色子是理解物質質量的核心，而預測“軸向希格斯模式”存在的理論現被用來解釋暗物質——一種幾乎不可見但卻是宇宙主要組成部分的物質。

當年希格斯玻色子是通過大型強子對撞機實驗揭示的，此次研究團隊則專注于稀土三碲化物（RTe3），這是一種經過充分研究的量子材料，可在室溫下以“桌面”實驗形式進行驗證。

研究人員稱，RTe3具有模仿產生軸向希格斯模式的理論的特性。但一般來說，尋找希格斯粒子的核心挑戰是它們與實驗探針的弱耦合。同樣，揭示粒子微妙的量子特性通常需要相當復雜的實驗裝置，包括巨大的磁體和高功率激光器，同時將樣品冷卻到極冷的溫度。

研究團隊報告說，他們通過獨特的散射和正確選擇量子模擬器來克服這些挑戰。具體來說，他們專注于一種長期以來已知具有“電荷密度波”的化合物。電荷密度波是指電子在空間中以周期性密度自組織的狀態，其非常特殊，出現在遠高于室溫的地方，涉及電荷密度和原子軌道的調制。這允許與該電荷密度波相關的希格斯玻色子具有額外的分量，即它可能是軸向的，包含角動量。

為了揭示這種模式的微妙性質，研究團隊使用了光散射，其中激光照射在材料上，可改變顏色和偏振。顏色的變化是由在材料中產生希格斯玻色子的光引起的，而偏振對粒子的對稱分量很敏感。

研究人員稱，新研究揭示了隱藏的磁性成分并證明了第一個軸向希格斯模式的發現。“高能粒子物理學預測的軸向希格斯粒子，其檢測可解釋暗物質。”波士頓學院物理學教授肯尼思·伯奇說，“然而，它從未被觀察到。它在凝聚態系統中的出現完全是令人驚訝的，預示著一種未被預測的新對稱破缺狀態的發現。與觀察新粒子通常需要的極端條件不同，這是在室溫下的桌面實驗中完成的，我們通過改變光的偏振實現了模式的量子控制。”

這一成果克服了以往極端實驗條件的難點，且這種簡單明了的實驗技術還可直接應用于超導體、磁體、鐵電體和電荷密度波中的模式。