Particulele false comit pasuri false ale fizicii

Un nou imitator ciudat de particule încalcă regulile stabilite ale fizicii particulelor. Descoperirea ar putea ajuta oamenii de știință să simuleze modul în care particulele s-au comportat imediat după Big Bang sau să conducă la dezvoltarea de noi dispozitive cu proprietăți electromagnetice neobișnuite.

Curiosul nou fenomen implică o entitate asemănătoare unei particule numită cvasiparticulă, formată dintr-o groapă de electroni care se împinge, care acționează colectiv ca o singură particulă dintr-un solid. Găsită într-un compus de lantan, aluminiu și germaniu, noua cvasiparticulă este un pic renegată, au raportat fizicianul M. Zahid Hasan de la Universitatea Princeton și colegii săi. Progresele științei. Cunoscută sub numele de fermion Weyl de tip II, cvasiparticula încalcă o regulă numită simetrie Lorentz, care afirmă că legile fizicii sunt aceleași indiferent de perspectiva observatorului, indiferent dacă este în mișcare sau staționar.

Simetria Lorentz este fundamentul teoriei speciale a relativității a lui Einstein, care detaliază fizica observatorilor care se deplasează aproape de viteza luminii. Pentru o particulă reală, încălcarea simetriei Lorentz ar fi un pas fals inadmisibil, dar pentru cvasiparticule, regulile sunt mai laxe, astfel încât fermionii Weyl de tip II se pot comporta într-un mod în care nu s-ar comporta o particulă normală.

Fermionii sunt o clasă de particule elementare care include quarcii, care formează protoni și neutroni și electroni. Există trei tipuri diferite de fermioni: Dirac, Majorana și Weyl. Fermionii de Dirac sunt de tipul soiului de grădină și includ electroni și quarci. Fermionii Majorana sunt propriile lor antiparticule. Neutrinii, particule notoriu de ușoare și evazive, ar putea fi fermioni Majorana sau Dirac; oamenii de știință nu sunt încă siguri care.

Fermionii Weyl sunt o varietate fără masă de fermioni. Nu s-au găsit exemple în fizica particulelor. Dar versiunea de cvasiparticule a fermionilor Weyl a izbucnit în scenă în 2015, când oamenii de știință i-au descoperit pentru prima dată într-un compus format din tantal și arsen (SN: 22/08/15, str. 11). Curând, oamenii de știință și-au dat seama că rudele lor care încalcă Lorentz, fermionii Weyl de tip II, ar putea apărea, de asemenea, în solide.

În noul studiu, Hasan și colegii au măsurat relația dintre energia și impulsul cvasiparticulelor, arătând că acestea sunt în concordanță cu fermionii Weyl de tip II. Deși experimentele anterioare au arătat indicii ale cvasiparticulelor neobișnuite, acele măsurători au fost până la nivelul pielii, evaluând particulele doar pe suprafața materialului, spune Hasan. Doar cu măsurătorile de suprafață, este greu de confirmat că fermionii Weyl de tip II sunt acolo, spune fizicianul Alexey Soluyanov de la ETH Zurich. Dar Hasan și colegii au privit în interiorul materialului. „Experimental, această lucrare este într-adevăr un exemplu frumos”, spune Soluyanov.

În solide, fermionii Weyl conduc la un comportament neobișnuit. Pune un material normal într-un câmp magnetic, iar rezistența la fluxul de electricitate crește, dar într-un solid cu fermioni Weyl, un câmp magnetic face curentul să circule mai ușor. Fermionii Weyl de tip II sunt și mai străini, datorită proprietăților lor de încălcare a lui Lorentz. Într-un material cu aceste cvasiparticule, un câmp magnetic într-o direcție poate crește conductivitatea, în timp ce în altă direcție poate scădea conductivitatea. „Acest tip de lucru poate avea aplicații interesante”, spune Hasan. „Într-un singur material, doar prin schimbarea direcției câmpului, acum putem obține comportamente diferite”, trecând între izolație și conducție, de exemplu.

Noul material ar putea oferi, de asemenea, informații pentru fizicienii particulelor. „Desigur, oamenii s-au întrebat ce se întâmplă atunci când încalci invarianța Lorentz”, spune fizicianul Adolfo Grushin de la Institut Néel din Grenoble, Franța. Fermionii Weyl de tip II ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine teoriile care încalcă regula. „Este un bun banc de încercare”, spune Grushin.

De exemplu, spune Hasan, „putem testa idei teoretice în universul timpuriu”, simulând modul în care particulele s-ar fi putut comporta imediat după Big Bang, când simetria Lorentz poate să nu fi fost respectată.