Un equipo interdisciplinario dirigido por físicos del Boston College ha descubierto una nueva partícula, o excitación cuántica previamente indetectable, conocida como modo axial de Higgs, un pariente magnético de la partícula del bosón de Higgs que define la masa, informa el equipo en la edición en línea de la revista Naturaleza .

La detección hace una década del largamente buscado bosón de Higgs se volvió central para la comprensión de la masa. A diferencia de su padre, el modo de Higgs axial tiene un momento magnético, y eso requiere una forma más compleja de la teoría para explicar sus propiedades, dijo el profesor de física de Boston College Kenneth Burch, coautor principal del informe "Modo de Higgs axial detectado por Interferencia de vía cuántica en RTe3".

Se han invocado teorías que predijeron la existencia de tal modo para explicar la "materia oscura", el material casi invisible que constituye gran parte del universo, pero que solo se revela a través de la gravedad, dijo Burch.

Mientras que el bosón de Higgs se reveló mediante experimentos en un colisionador de partículas masivas, el equipo se centró en RTe3, o tritelururo de tierras raras, un material cuántico bien estudiado que se puede examinar a temperatura ambiente en un formato experimental de "mesa".

"No todos los días encuentras una nueva partícula sobre tu mesa", dijo Burch.

RTe3 tiene propiedades que imitan la teoría que produce el modo axial de Higgs, dijo Burch. Pero el desafío central para encontrar partículas de Higgs en general es su débil acoplamiento con las sondas experimentales, como los haces de luz, dijo. De manera similar, revelar las propiedades cuánticas sutiles de las partículas generalmente requiere configuraciones experimentales bastante complejas que incluyen imanes enormes y láseres de alta potencia, mientras se enfrían las muestras a temperaturas extremadamente bajas.

El equipo informa que superó estos desafíos mediante el uso exclusivo de la dispersión de la luz y la elección adecuada del simulador cuántico, esencialmente un material que imita las propiedades deseadas para el estudio.

Específicamente, los investigadores se centraron en un compuesto que se sabe desde hace mucho tiempo que posee una "onda de densidad de carga", es decir, un estado en el que los electrones se autoorganizan con una densidad que es periódica en el espacio, dijo Burch.

La teoría fundamental de esta onda imita los componentes del modelo estándar de la física de partículas, agregó. Sin embargo, en este caso, la onda de densidad de carga es bastante especial, surge muy por encima de la temperatura ambiente e implica la modulación tanto de la densidad de carga como de las órbitas atómicas. Esto permite que el bosón de Higgs asociado con esta onda de densidad de carga tenga componentes adicionales, a saber, podría ser axial, lo que significa que contiene un momento angular.

Para revelar la naturaleza sutil de este modo, Burch explicó que el equipo usó dispersión de luz, donde un láser brilla sobre el material y puede cambiar el color y la polarización. El cambio de color resulta de la luz que crea el bosón de Higgs en el material, mientras que la polarización es sensible a los componentes de simetría de la partícula.

Además, mediante la elección adecuada de la polarización incidente y saliente, la partícula podría crearse con diferentes componentes, como un magnetismo ausente o un componente apuntando hacia arriba. Aprovechando un aspecto fundamental de la mecánica cuántica, utilizaron el hecho de que para una configuración, estos componentes se cancelan. Sin embargo, para una configuración diferente agregan.

"Como tal, pudimos revelar el componente magnético oculto y probar el descubrimiento del primer modo axial de Higgs", dijo Burch.

"La detección del Higgs axial se predijo en la física de partículas de alta energía para explicar la materia oscura", dijo Burch. "Sin embargo, nunca se ha observado. Su aparición en un sistema de materia condensada fue completamente sorprendente y presagia el descubrimiento de un nuevo estado de simetría rota que no se había predicho. A diferencia de las condiciones extremas que normalmente se requieren para observar nuevas partículas, esto se hizo en temperatura ambiente en un experimento de mesa en el que logramos un control cuántico del modo simplemente cambiando la polarización de la luz".

Burch dijo que las técnicas experimentales aparentemente accesibles y sencillas implementadas por el equipo se pueden aplicar para estudiar en otras áreas.

"Muchos de estos experimentos fueron realizados por un estudiante universitario en mi laboratorio", dijo Burch. "El enfoque se puede aplicar directamente a las propiedades cuánticas de numerosos fenómenos colectivos, incluidos los modos en superconductores, imanes, ferroeléctricos y ondas de densidad de carga. Además, llevamos el estudio de la interferencia cuántica en materiales con fases correlacionadas y/o topológicas a temperatura ambiente. superando la dificultad de las condiciones experimentales extremas".

Además de Burch, los coautores del informe del Boston College incluyeron al estudiante de pregrado Grant McNamara, el recién graduado de doctorado Yiping Wang y el investigador postdoctoral Md Mofazzel Hosen. Wang ganó la Mejor Disertación en Magnetismo de la Sociedad Estadounidense de Física, en parte por su trabajo en el proyecto, dijo Burch.

Burch dijo que era crucial aprovechar la amplia gama de conocimientos entre los investigadores de BC, la Universidad de Harvard, la Universidad de Princeton, la Universidad de Massachusetts, Amherst, la Universidad de Yale, la Universidad de Washington y la Academia de Ciencias de China.

"Esto muestra el poder de los esfuerzos interdisciplinarios para revelar y controlar nuevos fenómenos", dijo Burch. "No todos los días se reúnen la óptica, la química, la teoría física, la ciencia de los materiales y la física en un solo trabajo". + Explora más

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