物理学家发现希格斯玻色子的亲戚：一种从未见过的粒子

研究人员发现了一种新的粒子，它是希格斯玻色子的一个磁性亲戚。希格斯玻色子的发现需要大型强子对撞机（LHC）巨大的粒子加速能力，而这种从未见过的粒子 - 被称为轴向希格斯玻色子是通过一个可以放在台面上的实验发现的。

希格斯玻色子的这个磁性表亲--负责赋予其他粒子质量的粒子还可能是暗物质的一个候选者，暗物质占宇宙总质量的85%t，但从来没有现身过，只通过引力暗示自己存在。

“当我的学生给我看这些数据时，我想她一定是错了，“波士顿学院物理学教授、作出这一发现的团队的首席研究员肯尼斯-伯奇告诉《生活科学》。“你不是每天都能找到一种坐在桌面上就能够发现的新粒子。”

轴向希格斯玻色子与希格斯玻色子不同，后者在十年前的2012年首次被LHC的ATLAS和CMS探测器探测到，因为它有一个磁矩，一个产生磁场的磁力或方向。因此，它需要一个更复杂的理论来描述它，而不是其非磁性质量的"亲属”。

在粒子物理学的标准模型中，粒子从渗透到宇宙的不同领域中出现，其中一些粒子塑造了宇宙的基本力量。例如，光子介导电磁学，被称为W和Z玻色子的巨大粒子介导弱核力，它在亚原子水平上支配着核衰变。然而，当宇宙年轻和炎热时，电磁学和弱力可以被看成是同一种东西，因为所有这些粒子几乎都是相同的。随着宇宙的冷却，弱电分裂，导致W和Z玻色子获得了质量，并且与光子的行为非常不同，物理学家将这一过程称为"对称性破坏”。但是，这些以弱力为媒介的粒子究竟是如何变得如此沉重的呢？

事实证明，这些粒子与一个单独的场相互作用，被称为希格斯场。该场的扰动产生了希格斯玻色子，并使W和Z玻色子获得了重量。

“希格斯玻色子是在自然界中产生的，只要这种对称性被打破。“伯奇说：“然而，通常一次只有一个对称性被打破，因此希格斯只是由其能量来描述。”

轴向希格斯玻色子背后的理论则更为复杂。

“在轴向希格斯玻色子的境况下，似乎多个对称性被一起打破，导致理论的新形式和希格斯模式(像希格斯场这样的量子场的特定振荡)，需要多个参数来描述它：具体而言是能量和磁动量，“伯奇说。

伯奇与同事在周三（6月8日）发表在《自然》杂志上的一项研究中描述了新的磁性"希格斯表亲”，他解释说，原始的希格斯玻色子并不直接与光耦合，这意味着它必须通过用巨大的磁铁和高功率激光器将其他粒子粉碎，同时将样品冷却到极低的温度来创造。正是这些原始粒子衰变成其他粒子的过程中，突然出现了希格斯粒子，从而揭示了它的存在。

另一方面，当室温量子材料模仿一组特定的振荡，称为轴向希格斯模式时，产生了轴向希格斯玻色子。研究人员随后利用光的散射来观察该粒子。

“我们使用一个桌面光学实验发现了轴向希格斯玻色子，该实验位于一个大约1 x 1米的桌子上，通过聚焦于一种具有独特属性组合的材料，“伯奇继续说道。“具体来说，我们使用了稀土三碲化物（RTe3）(一种具有高度2D晶体结构的量子材料)。RTe3中的电子自组织成一种波，其中电荷的密度周期性地增强或减少”。

这些在室温以上出现的电荷密度波的大小可以随着时间的推移被调制，产生轴向希格斯模式。

在新的研究中，该团队通过向RTe3晶体发送一种颜色的激光来创造轴向希格斯模式。在一个被称为拉曼散射的过程中，光线散射并变成了一种频率较低的颜色，而在颜色变化过程中损失的能量产生了轴向希格斯模式。研究小组随后旋转了晶体，发现轴向希格斯模式也控制了电子的角动量，或者它们在材料中的圆周运动速度，这意味着这种模式也必须具有磁性。

“最初我们只是在研究这种材料的光散射特性。当仔细检查反应的对称性时--当我们旋转样品时它是如何不同的--我们发现了异常的变化，这是新事物的最初暗示，“伯奇解释说。“因此，它是第一个被发现的此类磁性希格斯，并表明RTe3中电子的集体行为不同于以前在自然界中看到的任何状态。”

粒子物理学家以前曾预测过一种轴向希格斯模式，甚至用它来解释暗物质，但这是第一次观察到它。这也是科学家们第一次观察到一个具有多个破缺对称性的状态。

当一个在所有方向看起来都一样的对称系统变得不对称时，就会发生对称性破坏。俄勒冈大学建议将其视为像一枚旋转的硬币，它有两种可能的状态。硬币最终会落到它的正面和反面，从而释放出能量并变得不对称。

这种双重对称性的破坏仍然与当前的物理学理论相吻合，这一事实令人振奋，因为它可能是一种创造迄今未见的粒子的方式，可以被用来解释暗物质。

伯奇说：“基本的想法是，为了解释暗物质，你需要一个与现有粒子实验相一致的理论，但产生尚未被看到的新粒子。通过轴向希格斯模式添加这种额外的对称性破坏是实现这一目标的一种方式。“伯奇说，尽管物理学家已经预测到了，但对轴向希格斯玻色子的观察对该团队来说是一个惊喜，他们花了一年时间试图验证他们的结果。