Une équipe interdisciplinaire dirigée par des physiciens du Boston College a découvert une nouvelle particule - ou une excitation quantique auparavant indétectable - connue sous le nom de mode de Higgs axial, un parent magnétique de la particule de Higgs Boson qui définit la masse, rapporte l'équipe dans l'édition en ligne de la revue Nature .

La détection il y a dix ans du boson de Higgs tant recherché est devenue essentielle à la compréhension de la masse. Contrairement à son parent, le mode de Higgs axial a un moment magnétique, et cela nécessite une forme plus complexe de la théorie pour expliquer ses propriétés, a déclaré Kenneth Burch, professeur de physique au Boston College, co-auteur principal du rapport "Axial Higgs Mode Detected by Interférence de la voie quantique dans RTe3."

Les théories qui prédisaient l'existence d'un tel mode ont été invoquées pour expliquer la "matière noire", le matériau presque invisible qui compose une grande partie de l'univers, mais qui ne se révèle que par la gravité, a déclaré Burch.

Alors que le boson de Higgs a été révélé par des expériences dans un collisionneur de particules massives, l'équipe s'est concentrée sur le RTe3, ou tritellurure de terres rares, un matériau quantique bien étudié qui peut être examiné à température ambiante dans un format expérimental "de table".

"Ce n'est pas tous les jours que vous trouvez une nouvelle particule sur votre table", a déclaré Burch.

RTe3 a des propriétés qui imitent la théorie qui produit le mode de Higgs axial, a déclaré Burch. Mais le défi central dans la recherche de particules de Higgs en général est leur faible couplage aux sondes expérimentales, telles que les faisceaux de lumière, a-t-il déclaré. De même, révéler les propriétés quantiques subtiles des particules nécessite généralement des configurations expérimentales assez complexes, notamment d'énormes aimants et des lasers de grande puissance, tout en refroidissant les échantillons à des températures extrêmement froides.

L'équipe rapporte qu'elle a surmonté ces défis grâce à l'utilisation unique de la diffusion de la lumière et au choix approprié du simulateur quantique, essentiellement un matériau imitant les propriétés souhaitées pour l'étude.

Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur un composé connu depuis longtemps pour posséder une "onde de densité de charge", à savoir un état dans lequel les électrons s'auto-organisent avec une densité périodique dans l'espace, a déclaré Burch.

La théorie fondamentale de cette onde imite les composants du modèle standard de la physique des particules, a-t-il ajouté. Cependant, dans ce cas, l'onde de densité de charge est assez particulière, elle émerge bien au-dessus de la température ambiante et implique une modulation à la fois de la densité de charge et des orbites atomiques. Cela permet au boson de Higgs associé à cette onde de densité de charge d'avoir des composants supplémentaires, à savoir qu'il pourrait être axial, ce qui signifie qu'il contient un moment cinétique.

Afin de révéler la nature subtile de ce mode, Burch a expliqué que l'équipe a utilisé la diffusion de la lumière, où un laser est dirigé sur le matériau et peut changer de couleur ainsi que de polarisation. Le changement de couleur résulte de la lumière créant le boson de Higgs dans le matériau, tandis que la polarisation est sensible aux composants de symétrie de la particule.

De plus, grâce au choix approprié de la polarisation incidente et sortante, la particule pourrait être créée avec différents composants, comme un magnétisme absent ou un composant pointant vers le haut. Exploitant un aspect fondamental de la mécanique quantique, ils ont utilisé le fait que pour une configuration, ces composants s'annulent. Cependant, pour une configuration différente, ils ajoutent.

"Ainsi, nous avons pu révéler la composante magnétique cachée et prouver la découverte du premier mode Higgs axial", a déclaré Burch.

"La détection du Higgs axial a été prédite en physique des particules à haute énergie pour expliquer la matière noire", a déclaré Burch. "Cependant, il n'a jamais été observé. Son apparition dans un système de matière condensée était tout à fait surprenante et annonce la découverte d'un nouvel état de symétrie brisée qui n'avait pas été prédit. Contrairement aux conditions extrêmes généralement requises pour observer de nouvelles particules, cela a été fait à température ambiante dans une expérience de table où nous réalisons un contrôle quantique du mode en changeant simplement la polarisation de la lumière."

Burch a déclaré que les techniques expérimentales apparemment accessibles et simples déployées par l'équipe peuvent être appliquées pour étudier dans d'autres domaines.

"Beaucoup de ces expériences ont été réalisées par un étudiant de premier cycle dans mon laboratoire", a déclaré Burch. "L'approche peut être directement appliquée aux propriétés quantiques de nombreux phénomènes collectifs, y compris les modes dans les supraconducteurs, les aimants, les ferroélectriques et les ondes de densité de charge. De plus, nous amenons l'étude des interférences quantiques dans les matériaux avec des phases corrélées et/ou topologiques à température ambiante surmonter la difficulté des conditions expérimentales extrêmes."

En plus de Burch, les co-auteurs du rapport du Boston College comprenaient l'étudiant de premier cycle Grant McNamara, le récent doctorant Yiping Wang et le chercheur postdoctoral Md Mofazzel Hosen. Wang a remporté la meilleure dissertation en magnétisme de l'American Physical Society, en partie pour son travail sur le projet, a déclaré Burch.

Burch a déclaré qu'il était crucial de s'appuyer sur le large éventail d'expertise des chercheurs de la Colombie-Britannique, de l'Université Harvard, de l'Université de Princeton, de l'Université du Massachusetts, d'Amherst, de l'Université de Yale, de l'Université de Washington et de l'Académie chinoise des sciences.

"Cela montre la puissance des efforts interdisciplinaires pour révéler et contrôler de nouveaux phénomènes", a déclaré Burch. "Ce n'est pas tous les jours que l'optique, la chimie, la théorie physique, la science des matériaux et la physique sont réunies dans un seul ouvrage." + Explorer plus loin

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