Найдена нейтральная частица без массы, которую предсказали 67 лет назад

Фото Zoonar GmbH RM; Nature; Minesh Bacrania via NYT

Физики из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне (США) нашли «демона Пайнса» — бесмассовую нейтральную частицу, существование которой предсказал 67 лет назад астрофизик Дэвид Пайнс. До сих пор это никому не удавалось, так как частица практически не взаимодействует со средой. Команда исследовала малоизученный металл и использовала нестандартный экспериментальный подход, побочным эффектом которого стало обнаружение неуловимых «демонов». Открытие опубликовано в журнале Nature.

Что такое «демон Пайнса» и почему он такой неуловимый

В 1956 году физик-теоретик и астрофизик Дэвид Пайнс предсказал существование особого типа плазмонов в трехмерных металлах. Плазмоны — это составные частицы, образованные электронами, обычно они имеют заряд и массу. Однако Пайнс считал, что в металлах, где есть несколько видов зарядов, и электроны движутся вне фазы в разных энергетических полосах, они могут объединяться в частицу без массы, без заряда, акустически нейтральную и не взаимодействующую со светом.

С такими уникальными свойствами эти плазмоны могут образовываться и существовать с любой энергией и при любой температуре. И должны оказывать важное влияние на поведение металлов. Однако эти же свойства делают их трудноуловимыми. Пайнс назвал частицу «демоном», при его жизни она так и не была поймана.

Как сообщают авторы нового исследования, они нашли «демонов» еще в 2018-м (Дэвид Пайнс скончался в этом же году), только не сразу смогли опознать и доказать, что это именно искомые частицы. Потребовалось время на анализ.

Свой успех команда объясняет нестандартным подходом к изучению рутената стронция. В большинстве стандартных экспериментов используют свет, измеряют оптические свойства, но нейтральная частица не оставляет видимых для таких испытаний следов. Ученые не искали «демона Пайнса», они пытались выяснить, почему данный металл похож на высокотемпературный сверхпроводник, хотя таковым не является. Необходимо было исследовать его электронные свойства.

Для этого применили электронную спектроскопию потерь энергии с импульсным разрешением: чтобы наблюдать свойства металла и формирование плазмонов, использовали энергию электронов, которыми «обстреливали» образцы рутената стронция. В полученных данных авторы увидели нечто странное — электронное соединение без массы.

Закономерная случайность

По словам самих ученых, они сначала не поняли, что это, затем предположили «демона», но посмеялись даже над самой возможностью его обнаружения. Но при дальнейшем анализе данных начали подозревать, что зря смеялись.

«Предсказание Пайнса о „демонах“ требует довольно специфических условий, и никому не было ясно, должен ли в рутенате стронция вообще быть „демон“. Нам пришлось выполнить микроскопический расчет. Когда мы сделали это, то обнаружили частицу, состоящую из двух электронных полос, колеблющихся не в фазе с почти одинаковой величиной, точно так же, как описал Пайнс».

Эдвин Хуанг, аспирант Института теории конденсированных сред Иллинойского университета в Урбане-Шампейне

Хотя находка и оказалась случайной, по словам физиков, ее можно считать закономерной, так как команда использовала редкий метод для исследования малоизученного вещества. Чтобы обнаружить что-то новое и неожиданное, требуется делать что-то новое и неожиданное, говорят ученые — сегодня часто об этом забывают. Ведь «демона Пайнса» уже даже не пытались искать.

Открытие считается важным и знаковым, так как удивительные частицы, предположительно, имеют решающее значение для высокотемпературной сверхпроводимости, оптических свойств, фазовых переходов и других явлений в металлах.