Fisikawan menemukan partikel baru yang sulit dipahami melalui eksperimen meja

Bahan yang mengandung mode Higgs aksial dapat berfungsi sebagai sensor kuantum untuk menilai sistem kuantum lain dan membantu menjawab pertanyaan keras kepala dalam fisika partikel.

Menurut itu Model Standar Fisika Partikel, teori terbaik ilmuwan saat ini untuk menggambarkan blok bangunan paling dasar alam semesta, partikel yang disebut quark (yang menyusun proton dan neutron) dan lepton (yang menyusun elektron) membentuk semua materi yang diketahui. Partikel pembawa gaya milik kelompok boson yang lebih luas mempengaruhi quark dan lepton.

Terlepas dari keberhasilan Model Standar dalam menjelaskan alam semesta, ia memiliki keterbatasan. Materi gelap dan energi gelap adalah dua contoh, dan mungkin saja partikel baru yang belum ditemukan akhirnya dapat memecahkan misteri ini.

Hari ini, tim ilmuwan interdisipliner yang dipimpin oleh fisikawan Boston College mengumumkan bahwa mereka telah menemukan partikel baru – atau eksitasi kuantum yang sebelumnya tidak terdeteksi – yang dikenal sebagai mode Higgs aksial, sepupu magnetik dari partikel penentu massa Higgs boson. Tim mempublikasikan laporan mereka hari ini (8 Juni 2022) di jurnal edisi online Alam.

Penemuan Higgs boson yang telah lama dicari satu dekade lalu menjadi pusat pemahaman massa. Tidak seperti pendahulunya, mode Higgs aksial memiliki momen magnetik, dan itu membutuhkan bentuk teori yang lebih kompleks untuk menjelaskan sifat-sifatnya, kata Kenneth Burch, seorang profesor fisika di Boston College, rekan penulis senior laporan tersebut, “Axial Mode Higgs Terdeteksi oleh Interferensi Jalur Kuantum di RTe₃.”

Teori yang memprediksi keberadaan mode semacam itu telah digunakan untuk menjelaskan “Materi gelap‘, materi yang hampir tak terlihat yang membentuk sebagian besar alam semesta tetapi hanya terungkap oleh gravitasi, kata Burch.

Sedangkan Higgs boson diungkapkan oleh eksperimen dalam Massive Particle Collider, tim berfokus pada RTe₃atau tritellurida tanah jarang, bahan kuantum yang dipelajari dengan baik yang dapat dipelajari pada suhu kamar dalam format eksperimental “meja”.

“Anda tidak menemukan partikel baru di atas meja setiap hari,” kata Burch.

RTe₃ memiliki sifat yang meniru teori yang menghasilkan mode aksial Higgs, kata Burch. Namun, tantangan utama dalam menemukan partikel Higgs secara umum adalah sambungannya yang lemah dengan probe eksperimental seperti berkas cahaya, katanya. Demikian pula, mengungkapkan sifat kuantum halus partikel biasanya memerlukan pengaturan eksperimental yang cukup rumit, termasuk magnet raksasa dan laser bertenaga tinggi, sementara sampel didinginkan hingga suhu yang sangat rendah.

Tim melaporkan bahwa mereka mengatasi tantangan ini melalui penggunaan hamburan cahaya yang unik dan pilihan simulator kuantum yang tepat, pada dasarnya merupakan bahan yang meniru sifat yang diinginkan untuk penelitian ini.

Secara khusus, para peneliti berfokus pada senyawa yang telah lama diketahui memiliki “gelombang kerapatan muatan”, keadaan di mana elektron mengatur dirinya sendiri dengan kerapatan yang periodik di ruang angkasa, kata Burch.

Teori dasar gelombang ini meniru komponen Model Standar fisika partikel, tambahnya. Namun, dalam hal ini gelombang kerapatan muatan sangat istimewa, ia terjadi jauh di atas suhu kamar dan melibatkan modulasi rapat muatan dan orbit atom. Akibatnya, boson Higgs yang terkait dengan gelombang kerapatan muatan ini dapat memiliki komponen tambahan, yaitu dapat bersifat aksial, yaitu dapat mengandung momentum sudut.

Untuk mengungkap sifat halus dari mode ini, Burch menjelaskan bahwa tim menggunakan hamburan cahaya, di mana laser ditujukan pada material dan dapat mengubah warna dan polarisasi. Perubahan warna dihasilkan dari cahaya yang dihasilkan oleh Higgs boson dalam material, sedangkan polarisasi sensitif terhadap komponen simetri partikel.

Selanjutnya, dengan memilih polarisasi masuk dan keluar dengan benar, partikel dapat dibuat dengan komponen yang berbeda – misalnya, dengan magnet yang hilang atau komponen ke atas. Mereka mengambil keuntungan dari aspek fundamental mekanika kuantum dan mengambil keuntungan dari fakta bahwa komponen-komponen ini membatalkan konfigurasi. Namun, untuk konfigurasi lain mereka menambahkan.

“Ini memungkinkan kami untuk mengungkap komponen magnetik tersembunyi dan membuktikan penemuan mode aksial Higgs pertama,” kata Burch.

“Deteksi aksial Higgs diprediksi dalam fisika partikel energi tinggi untuk menjelaskan materi gelap,” kata Burch. “Namun, tidak pernah diperhatikan. Kemunculannya dalam sistem materi terkondensasi benar-benar mengejutkan dan menandai penemuan keadaan simetri baru yang tidak pernah diprediksi sebelumnya. Berbeda dengan kondisi ekstrem yang biasanya diperlukan untuk mengamati partikel baru, ini dilakukan pada suhu kamar dalam eksperimen benchtop, di mana kami mencapai kontrol mode kuantum hanya dengan mengubah polarisasi cahaya.”

Burch mengatakan teknik eksperimental yang tampaknya dapat diakses dan langsung yang digunakan oleh tim dapat diterapkan pada studi di bidang lain.

“Banyak dari eksperimen ini dilakukan oleh seorang siswa di lab saya,” kata Burch. “Pendekatan ini dapat langsung diterapkan pada sifat kuantum dari berbagai fenomena kolektif, termasuk mode dalam superkonduktor, magnet, feroelektrik, dan gelombang kerapatan muatan. Selanjutnya, kami membawa studi interferensi kuantum dalam bahan dengan fase berkorelasi dan/atau topologi ke suhu kamar, mengatasi kesulitan kondisi eksperimental yang ekstrem.

Selain Burch, rekan penulis laporan dari Boston College termasuk sarjana Grant McNamara, PhD Yiping Wang baru-baru ini, dan rekan pascadoktoral Md Mofazzel Hosen. Wang memenangkan Disertasi Terbaik dalam Magnetisme American Physical Society, sebagian untuk karyanya pada proyek tersebut, kata Burch.

Burch mengatakan sangat penting untuk memanfaatkan keahlian luas para peneliti dari BC, Harvard University,[{” attribute=””>Princeton University, the University of Massachusetts, Amherst, Yale University, University of Washington, and the Chinese Academy of Sciences.

“This shows the power of interdisciplinary efforts in revealing and controlling new phenomena,” Burch said. “It’s not every day you get optics, chemistry, physical theory, materials science and physics together in one work.”

Reference: “Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe₃” by Yiping Wang, Ioannis Petrides, Grant McNamara, Md Mofazzel Hosen, Shiming Lei, Yueh-Chun Wu, James L. Hart, Hongyan Lv, Jun Yan, Di Xiao, Judy J. Cha, Prineha Narang, Leslie M. Schoop and Kenneth S. Burch, 8 June 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04746-6

Funding: U.S. Department of Energy