重磅！中國科學家參與發現「軸子」粒子，42年前預測的基本粒子

2020-10-18 博科園

德勒斯登馬克斯·普朗克固體化學物理研究所(Max Planck Institute For Chemical Physical Of Solid)、普林斯頓大學(Princeton University)、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)和中國科學院大學(University Of The Chinese Academy Of Sciences)的科學家們發現了一個眾所周知難以捉摸的粒子：軸子。42年前，軸子首次被預測為基本粒子，是粒子物理學標準模型的擴展。

其研究驗結果發表在《自然》期刊上，研究小組在相關Weyl（外爾）半金屬(TaSe4)2i中發現了由Weyl類型電子(Weyl Fermions)組成的軸子粒子特徵。在室溫下，(TaSe4)2i是一維晶體，其中電流由Weyl Fermions傳導。然而，通過將(TaSe4)2i冷卻到-11攝氏度以下，這些Weyl Fermions本身凝聚成晶體，即所謂的「電荷密度波」，扭曲了原子的底層晶格。最初自由的Weyl費米子現在是局域化的，並且初始Weyl半金屬(TaSe4)2i成為軸子絕緣體。與金屬原子晶體中自由電子的存在類似，Weyl半金屬基電荷密度波晶體具有可以傳導電流的軸子。

然而，這種軸子的行為與電子有很大不同，當接觸到平行的電場和磁場時，它們對磁電導率產生反常的正貢獻。根據普林斯頓大學Andrei Bernevig小組的預測，德勒斯登馬克斯·普朗克固體化學物理研究所的Claudia Felser小組產生了電荷密度波Weyl metalloid(TaSe4)2i，並研究了這種材料在電場和磁場影響下的導電情況。研究人員發現，這種材料中低於-11攝氏度的電流實際上是由軸子粒子攜帶。軸子絕緣體是一個相關的拓撲相，預計會在Weyl半金屬中形成電荷密度波。

在電荷密度波相中伴隨的滑動模。預計會引起反常的磁電輸運效應。然而，到本研究發現前，這種軸子電荷密度波還沒有被實驗檢測到。研究的主要作者之一Claudia Felser說：我認為我們知道的材料突然顯示出如此有趣的量子粒子，這是非常令人驚訝的。在實驗中研究軸子粒子的新特性，可以讓科學家更好地理解量子粒子的神秘領域，並開拓高度相關的拓撲材料領域。約翰尼斯·古思說：我畢生夢想的另一塊積木，就是用固體中的實驗實現天文和高能物理的想法。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1630-4

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  • 用42年前預測，現在發現的軸子，或將能「聽到」暗物質
    暗物質約佔宇宙物質的85%，最初引入軸子是為了解釋為什麼將質子和中子聚集在一起的強力在時間上是相同的，所謂的軸子將為暗物質提供一個自然解釋。而不是離散的粒子，軸子暗物質將形成一種在空間中流動無處不在的波。關於「軸子」基本粒子的存在，我們「博科園」去年10月發表文章說明關於發現42年前預測的基本粒子「軸子」被發現。
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    3年前，他押下100美元的賭注，打賭人類永遠也不可能發現希格斯粒子——這種有著「上帝粒子」之稱的神秘粒子，被認為是宇宙中所有基本粒子的質量之源。　　2011年12月13日，歐洲核子研究中心召開研討會宣布，目前世界上「最強大的超級顯微鏡」——大型強子對撞機尋找希格斯粒子時出現「重要進展」。
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