科学家发现“轴向希格斯模式”新粒子 可检测暗物质

美国波士顿学院物理学家领导的一个跨学科团队发现了被称为“轴向希格斯模式”的新粒子，这是一种以前无法检测到的量子激发，也是著名的希格斯玻色子的磁性相对粒子。该研究成果在线发表于最近的《自然》杂志。

十年前探测到的希格斯玻色子是理解物质质量的核心，而预测“轴向希格斯模式”存在的理论现被用来解释暗物质——一种几乎不可见但却是宇宙主要组成部分的物质。

当年希格斯玻色子是通过大型强子对撞机实验揭示的，此次研究团队则专注于稀土三碲化物(RTe3)，这是一种经过充分研究的量子材料，可在室温下以“桌面”实验形式进行验证。

研究人员称，RTe3具有模仿产生轴向希格斯模式的理论的特性。但一般来说，寻找希格斯粒子的核心挑战是它们与实验探针的弱耦合。同样，揭示粒子微妙的量子特性通常需要相当复杂的实验装置，包括巨大的磁体和高功率激光器，同时将样品冷却到极冷的温度。

研究团队报告说，他们通过独特的散射和正确选择量子模拟器来克服这些挑战。具体来说，他们专注于一种长期以来已知具有“电荷密度波”的化合物。电荷密度波是指电子在空间中以周期性密度自组织的状态，其非常特殊，出现在远高于室温的地方，涉及电荷密度和原子轨道的调制。这允许与该电荷密度波相关的希格斯玻色子具有额外的分量，即它可能是轴向的，包含角动量。

为了揭示这种模式的微妙性质，研究团队使用了光散射，其中激光照射在材料上，可改变颜色和偏振。颜色的变化是由在材料中产生希格斯玻色子的光引起的，而偏振对粒子的对称分量很敏感。

研究人员称，新研究揭示了隐藏的磁性成分并证明了第一个轴向希格斯模式的发现。“高能粒子物理学预测的轴向希格斯粒子，其检测可解释暗物质。”波士顿学院物理学教授肯尼思·伯奇说，“然而，它从未被观察到。它在凝聚态系统中的出现完全是令人惊讶的，预示着一种未被预测的新对称破缺状态的发现。与观察新粒子通常需要的极端条件不同，这是在室温下的桌面实验中完成的，我们通过改变光的偏振实现了模式的量子控制。”

这一成果克服了以往极端实验条件的难点，且这种简单明了的实验技术还可直接应用于超导体、磁体、铁电体和电荷密度波中的模式。