周三一個(gè)由波士頓學(xué)院物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子--或以前無法檢測(cè)到的量子激發(fā)--被稱為軸向希格斯模式，是決定質(zhì)量的希格斯玻色子粒子的一個(gè)磁性親屬。該團(tuán)隊(duì)6月8日在《自然》雜志的網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表了他們的報(bào)告。

十年前對(duì)長(zhǎng)期尋求的希格斯玻色子的探測(cè)成為理解質(zhì)量的核心。波士頓學(xué)院物理學(xué)教授Kenneth Burch說，與它的母體不同，軸向希格斯模式有一個(gè)磁矩，這需要一個(gè)更復(fù)雜的理論形式來解釋它的特性，他這項(xiàng)新研究的主要合著者。

Burch說，預(yù)測(cè)這種模式存在的理論被用來解釋 “暗物質(zhì)”，這種幾乎看不見的物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的大部分，但只通過引力顯示出自己。

希格斯玻色子是通過大規(guī)模粒子對(duì)撞機(jī)中的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，而該團(tuán)隊(duì)則專注于稀土金屬碲化物(RTe3)，這是一種經(jīng)過充分研究的量子材料，可以在室溫下以 “桌面”實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行檢查。

Burch說：“你不是每天都能在‘桌面’上發(fā)現(xiàn)新粒子?！?/p>

Burch說，RTe3的特性模仿了產(chǎn)生軸向希格斯模式的理論。但他說，一般來說，尋找希格斯粒子的核心挑戰(zhàn)是它們與實(shí)驗(yàn)探針（如光束）的弱耦合。同樣，揭示粒子微妙的量子特性通常需要相當(dāng)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，包括巨大的磁鐵和高功率的激光器，同時(shí)將樣品冷卻到極低的溫度。

該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，它通過獨(dú)特地利用光的散射和適當(dāng)?shù)剡x擇量子模擬器（基本上是一種模仿所需特性的材料進(jìn)行研究）克服了這些挑戰(zhàn)。

具體來說，研究人員專注于一種早已知道擁有"電荷密度波"的化合物，即一種電子以空間中的周期性密度自我組織的狀態(tài)，Burch說。

他補(bǔ)充說，這種波的基本理論模仿了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的組成部分。然而，在這種情況下，電荷密度波是相當(dāng)特殊的，它出現(xiàn)在遠(yuǎn)高于室溫的地方，并且涉及到電荷密度和原子軌道的調(diào)制。這使得與這種電荷密度波相關(guān)的希格斯玻色子有額外的成分，即它可能是軸向的，意味著它包含角動(dòng)量。

為了揭示這種模式的微妙性質(zhì)，Burch解釋說，該團(tuán)隊(duì)使用了光散射，即用激光照射材料，可以改變顏色以及偏振。顏色的變化是由于光在材料中產(chǎn)生了希格斯玻色子，而偏振則對(duì)粒子的對(duì)稱性成分敏感。

“因此，我們能夠揭示隱藏的磁性成分，并證明發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)軸向希格斯模式，”Burch說。

Burch表示：“在高能粒子物理學(xué)中預(yù)測(cè)了對(duì)軸向希格斯的探測(cè)，以解釋暗物質(zhì)。然而，它從未被觀察到。它在一個(gè)凝聚態(tài)系統(tǒng)中的出現(xiàn)完全令人驚訝，并預(yù)示著發(fā)現(xiàn)了一個(gè)沒有被預(yù)測(cè)過的新的破缺對(duì)稱狀態(tài)。與觀察新粒子通常需要的極端條件不同，這是在室溫下的桌面實(shí)驗(yàn)中完成的，我們只需改變光的偏振就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該模式的量子控制。”

Burch說，該團(tuán)隊(duì)部署的看似容易獲得和直接的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域的研究。

“這些實(shí)驗(yàn)中有許多是由我們實(shí)驗(yàn)室的一名本科生完成的，”Burch說?！霸摲椒梢灾苯討?yīng)用于眾多集體現(xiàn)象的量子特性，包括超導(dǎo)體、磁體、鐵電體和電荷密度波中的模式。此外，我們將具有相關(guān)和/或拓?fù)湎嗟牟牧现械牧孔痈蓴_研究帶到了室溫，克服了極端實(shí)驗(yàn)條件的困難。”

除Burch外，波士頓學(xué)院報(bào)告的合著者還包括本科生Grant McNamara、剛畢業(yè)的博士生 Yiping Wang和博士后研究員Md Mofazzel Hosen。Burch說，Wang獲得了美國(guó)物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的磁學(xué)最佳論文獎(jiǎng)，部分原因是她在這個(gè)項(xiàng)目上的工作。

Burch表示，利用來自不列顛哥倫比亞省、哈佛大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校、耶魯大學(xué)、華盛頓大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院的研究人員之間廣泛的專業(yè)知識(shí)是至關(guān)重要的。

Burch稱：“這顯示了跨學(xué)科努力在揭示和控制新現(xiàn)象方面的力量。你不是每天都能在一項(xiàng)工作中得到光學(xué)、化學(xué)、物理理論、材料科學(xué)和物理學(xué)?！?/p>

此外，通過對(duì)入射和出射偏振的適當(dāng)選擇，可以創(chuàng)造出具有不同成分的粒子--比如一個(gè)沒有磁性的粒子，或者一個(gè)指向上方的成分。利用量子力學(xué)的一個(gè)基本方面，他們利用了這樣一個(gè)事實(shí)：對(duì)于一個(gè)配置，這些成分會(huì)被抵消。然而，對(duì)于不同的配置，它們會(huì)增加。