Para ilmuwan akhirnya menemukan jejak-jejak axion, sebuah partikel sulit dipahami yang jarang berinteraksi dengan materi normal. Axion pertama kali diprediksi lebih dari 40 tahun yang lalu tetapi belum pernah terlihat sampai sekarang.
Para ilmuwan telah menyarankan bahwa materi gelap, materi tak kasat mata yang menembus alam semesta kita, dapat dibuat dari aksial. Tapi daripada menemukan axion materi gelap jauh di luar angkasa, para peneliti telah menemukan tanda tangan matematika dari axion dalam bahan eksotis di Bumi.
Axion yang baru ditemukan bukan partikel seperti yang biasa kita pikirkan: Aksinya bertindak sebagai gelombang elektron dalam material super dingin yang dikenal sebagai semimetal. Tetapi penemuan itu bisa menjadi langkah pertama dalam mengatasi salah satu masalah utama yang belum terpecahkan dalam fisika partikel.
Axion adalah kandidat untuk materi gelap, karena, seperti halnya materi gelap, ia tidak dapat benar-benar berinteraksi dengan materi biasa. Kesendirian ini juga membuat axion, jika ada, sangat sulit dideteksi. Partikel aneh ini juga bisa membantu memecahkan teka-teki fisika yang dikenal sebagai "masalah CP yang kuat." Untuk beberapa alasan, hukum fisika tampaknya bertindak sama pada partikel dan mitra antimateri mereka, bahkan ketika koordinat spasial mereka terbalik. Fenomena ini dikenal sebagai simetri charge-parity, tetapi teori fisika yang ada mengatakan bahwa tidak ada alasan simetri ini harus dilakukan. ada. Simetri yang tak terduga dapat dijelaskan oleh adanya bidang khusus; mendeteksi axion akan membuktikan bahwa bidang ini ada, menyelesaikan misteri ini.
Karena para ilmuwan percaya bahwa hantu, partikel netral hampir tidak berinteraksi dengan materi biasa, mereka berasumsi bahwa akan sulit untuk dideteksi menggunakan teleskop ruang angkasa yang ada. Jadi para peneliti memutuskan untuk mencoba sesuatu yang lebih turun ke Bumi, menggunakan bahan aneh yang dikenal sebagai benda terkondensasi.
Eksperimen zat terkondensasi seperti yang dilakukan para peneliti telah digunakan untuk "menemukan" partikel yang diprediksi sulit ditangkap dalam beberapa kasus terkenal, termasuk yang dari fermion majorana. Partikel-partikel itu tidak terdeteksi dalam pengertian yang biasa, tetapi sebaliknya ditemukan sebagai getaran kolektif pada bahan yang berperilaku dan merespons persis seperti partikelnya.
"Masalah dengan melihat luar angkasa adalah bahwa Anda tidak dapat mengendalikan lingkungan eksperimental Anda dengan sangat baik," kata rekan penulis studi, Johannes Gooth, seorang ahli fisika di Institut Max Planck untuk Fisika Kimia Padatan di Jerman. "Kamu menunggu sampai suatu peristiwa terjadi dan mencoba mendeteksinya. Aku pikir salah satu hal indah dari memasukkan konsep fisika berenergi tinggi ini ke dalam materi terkondensasi adalah bahwa kamu benar-benar dapat melakukan lebih banyak lagi."
Tim peneliti bekerja dengan semimetal Weyl, bahan khusus dan aneh di mana elektron berperilaku seolah-olah mereka tidak memiliki massa, tidak berinteraksi satu sama lain dan dibagi menjadi dua jenis: tangan kanan dan tangan kiri. Properti menjadi tangan kanan atau kidal disebut chirality; chirality dalam semimetal Weyl dilestarikan, artinya ada jumlah yang sama dari elektron tangan kanan dan kiri. Mendinginkan semimetal hingga 12 derajat Fahrenheit (minus 11 derajat Celcius) memungkinkan elektron untuk berinteraksi dan mengembun menjadi kristal mereka sendiri.
Gelombang getaran yang bergerak melalui kristal disebut fonon. Karena hukum aneh mekanika kuantum menentukan bahwa partikel juga dapat berperilaku sebagai gelombang, ada fonon tertentu yang memiliki sifat yang sama dengan partikel kuantum umum, seperti elektron dan foton. Gooth dan rekan-rekannya mengamati fonon dalam kristal elektron yang merespons medan listrik dan magnet persis seperti aksial yang diprediksi. Kuasi-partikel ini juga tidak memiliki jumlah partikel tangan kanan dan tangan kiri yang sama. (Fisikawan juga meramalkan bahwa axion akan merusak konservasi chirality.)
"Sangat menggembirakan bahwa persamaan-persamaan ini sangat alami dan meyakinkan sehingga mereka direalisasikan di alam setidaknya dalam satu keadaan," kata fisikawan teori MIT dan pemenang Nobel Frank Wilczek, yang awalnya bernama axion pada tahun 1977. "Jika kita tahu bahwa ada bahan yang menjadi tuan rumah aksial, mungkin materi yang kita sebut ruang juga menampung aksial. " Wilczek, yang tidak terlibat dalam penelitian saat ini, juga menyarankan bahwa bahan seperti Weyl semimetal suatu hari nanti dapat digunakan sebagai semacam "antena" untuk mendeteksi axions fundamental, atau axions yang ada pada haknya sendiri sebagai partikel di alam semesta, bukan sebagai getaran kolektif.
Sementara pencarian untuk axion sebagai partikel mandiri, akan berlanjut, percobaan seperti ini membantu percobaan pendeteksian yang lebih tradisional dengan memberikan batasan dan perkiraan sifat-sifat partikel, seperti massa. Ini memberi para eksperimentalis gagasan yang lebih baik tentang di mana mencari partikel-partikel ini. Itu juga dengan kuat menunjukkan bahwa keberadaan partikel itu mungkin.
"Teori pertama adalah konsep matematika," kata Gooth. "Dan keindahan dari percobaan fisika terkondensasi ini adalah kita dapat menunjukkan bahwa matematika semacam ini ada di alam sama sekali."
