根據粒子物理學標準模型，科學家們目前描述宇宙最基本構件的最佳理論，稱為夸克（構成質子和中子）和輕子（包括電子）的粒子構成了所有已知的物質。載力粒子，屬於更廣泛的玻色子組，影響著夸克和輕子。儘管標準模型在解釋宇宙方面很成功，但它也有其局限性。暗物質和暗能量是兩個例子，而尚未發現的新粒子有可能最終解決這些謎團。

週三一個由波士頓學院物理學家領導的跨學科科學家團隊宣布，他們已經發現了一種新的粒子–或以前無法檢測到的量子激發–被稱為軸向希格斯模式，是決定質量的希格斯玻色子粒子的一個磁性親屬。該團隊6月8日在《自然》雜誌的網絡版上發表了他們的報告。

十年前對長期尋求的希格斯玻色子的探測成為理解質量的核心。波士頓學院物理學教授Kenneth Burch說，與它的母體不同，軸向希格斯模式有一個磁矩，這需要一個更複雜的理論形式來解釋它的特性，他這項新研究的主要合著者。

Burch說，預測這種模式存在的理論被用來解釋“暗物質”，這種幾乎看不見的物質構成了宇宙的大部分，但只通過引力顯示出自己。

希格斯玻色子是通過大規模粒子對撞機中的實驗發現的，而該團隊則專注於稀土金屬碲化物(RTe3)，這是一種經過充分研究的量子材料，可以在室溫下以“桌面”實驗形式進行檢查。

Burch說：“你不是每天都能在’桌面’上發現新粒子。”

Burch說，RTe3的特性模仿了產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是它們與實驗探針（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複雜的實驗裝置，包括巨大的磁鐵和高功率的激光器，同時將樣品冷卻到極低的溫度。

該團隊報告說，它通過獨特地利用光的散射和適當地選擇量子模擬器（基本上是一種模仿所需特性的材料進行研究）克服了這些挑戰。

具體來說，研究人員專注於一種早已知道擁有”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，Burch說。

他補充說，這種波的基本理論模仿了粒子物理學標準模型的組成部分。然而，在這種情況下，電荷密度波是相當特殊的，它出現在遠高於室溫的地方，並且涉及到電荷密度和原子軌道的調製。這使得與這種電荷密度波相關的希格斯玻色子有額外的成分，即它可能是軸向的，意味著它包含角動量。

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

“因此，我們能夠揭示隱藏的磁性成分，並證明發現了第一個軸向希格斯模式，”Burch說。

Burch表示：“在高能粒子物理學中預測了對軸向希格斯的探測，以解釋暗物質。然而，它從未被觀察到。它在一個凝聚態系統中的出現完全令人驚訝，並預示著發現了一個沒有被預測過的新的破缺對稱狀態。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驗中完成的，我們只需改變光的偏振就能實現對該模式的量子控制。”

Burch說，該團隊部署的看似容易獲得和直接的實驗技術可以應用於其他領域的研究。

“這些實驗中有許多是由我們實驗室的一名本科生完成的，”Burch說。“該方法可以直接應用於眾多集體現象的量子特性，包括超導體、磁體、鐵電體和電荷密度波中的模式。此外，我們將具有相關和/或拓撲相的材料中的量子乾擾研究帶到了室溫，克服了極端實驗條件的困難。”

除Burch外，波士頓學院報告的合著者還包括本科生Grant McNamara、剛畢業的博士生Yiping Wang和博士後研究員Md Mofazzel Hosen。Burch說，Wang獲得了美國物理學會頒發的磁學最佳論文獎，部分原因是她在這個項目上的工作。

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

Burch稱：“這顯示了跨學科努力在揭示和控制新現象方面的力量。你不是每天都能在一項工作中得到光學、化學、物理理論、材料科學和物理學。”

此外，通過對入射和出射偏振的適當選擇，可以創造出具有不同成分的粒子–比如一個沒有磁性的粒子，或者一個指向上方的成分。利用量子力學的一個基本方面，他們利用了這樣一個事實：對於一個配置，這些成分會被抵消。然而，對於不同的配置，它們會增加。