Выявлены странные частицы, не обладающие массой при движении в одном направлении

Фото из открытых источников

Исследователи в ходе эксперимента с «полуметаллическим» материалом выявили странные частицы, что не имеют массы, если двигаются в определенном направлении. Зато обретают массу при изменении траектории, перпендикулярно первоначальному вектору.

Как сообщает New-Science.ru со ссылкой на публикацию в Physical Review X, результат удалось достичь, воздействуя на материал экстремальными условиями, в частности, магнитным полем, более чем в 10 миллионов раз превышающим магнитное поле Земли. Эксперимент может проложить путь к открытию новых физических явлений.

Фермионами Дирака называют частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2, 5/2 и т.д.), отличающиеся от своих античастиц. В 2016 году была высказана гипотеза о существовании особой категории фермионов, не имеющих массы в одном направлении, но становящихся массивными в направлении, перпендикулярном изначальному.

Эти гипотетические частицы назвали «полудираковскими фермионами». Данные квазичастицы (группы частиц, коллективное поведение которых можно рассматривать как одну частицу) до сих пор не были обнаружены.

Одним из материалов, исследуемых для обнаружения полудираковских фермионов, являются полуметаллы. Они имеют особое свойство переноса частиц благодаря структуре полосы проводимости и выраженным топологическим характеристикам, поэтому они особо перспективны для использования в электронике.

Поначалу предлагалось использовать материалы на основе графена, но они показали неубедительные результаты. Сейчас командой из Университета штата Пенсильвания предложен новый экспериментальный протокол, впервые позволивший надежно обнаружить частицу.

В новом алгоритме применен полуметалл на базе циркония, кремния и серы. Подобно металлам, он проводит электричество, но при действии экстремальных условий проявляет необычные свойства. Исследователи подвергли материал охлаждению до температуры, близкой к абсолютному нулю. Вторым особым фактором стало магнитное поле, более чем в 10 миллионов раз превышающее показатели магнитного поля Земли.

При таких условиях есть возможность менять траектории электронов внутри материала, с линейных на круговые спиральные траектории. Это говорит о том, что электроны обретают чувствительность к квантовым эффектам. А значит, могут вести себя как волны, способные усиливаться по мере движения по траектории и генерировать полудираковские фермионы.

Команда решила проверить, что созданные частицы реально получили свойства полудираковских фермионов, облучая материал инфракрасными импульсами и анализируя, как они отражались от присутствующих частиц. Также меняли интенсивность магнитного поля и частоту инфракрасного излучения. При направлении магнитного поля в ту же сторону, что и движение частиц, было впечатление, что у них нет массы. Но если поле прилагали перпендикулярно частицам, они становились заметно массивнее.

Эксперимент важен еще и в плане познания новых физических процессов, т.к. полудираковские фермионы можно оценивать как гибриды между обычными электронами и экзотическими космическими частицами, например, безмассовыми нейтрино.