Físicos han descubierto una nueva partícula hasta ahora indetectable conocida como modo axial de Higgs, un ‘pariente’ magnético de la partícula del Bosón de Higgs que define la masa.
La detección hace una década del largamente buscado Bosón de Higgs se convirtió en algo fundamental para la comprensión de la masa. A diferencia de su progenitor, el modo axial de Higgs tiene un momento magnético, y eso requiere una forma más compleja de la teoría para explicar sus propiedades, explica el profesor de física del Boston College Kenneth Burch, coautor principal del informe, publicado en Nature.
Las teorías que predecían la existencia de dicho modo han sido invocadas para explicar la «materia oscura», el material casi invisible que compone gran parte del universo, pero que sólo se revela a través de la gravedad, apunta Burch.
Mientras que el Bosón de Higgs se reveló mediante experimentos en un colisionador de partículas masivo, el equipo se centró en el RTe3, o trituro de tierras raras, un material cuántico bien estudiado que puede examinarse a temperatura ambiente en un formato experimental ‘de mesa’. «No todos los días se encuentra una nueva partícula sobre la mesa», resalta Burch.
El RTe3 tiene propiedades que imitan la teoría que produce el modo axial de Higgs, explica. Sin embargo, el principal reto para encontrar partículas de Higgs en general es su débil acoplamiento a las sondas experimentales, como los haces de luz. Asimismo, revelar las sutiles propiedades cuánticas de las partículas suele requerir montajes experimentales bastante complejos que incluyen enormes imanes y láseres de alta potencia, al tiempo que se enfrían las muestras a temperaturas extremadamente bajas.
El equipo informa de que superó estos retos mediante el uso exclusivo de la dispersión de la luz y la elección adecuada del simulador cuántico, esencialmente un material que imita las propiedades deseadas para el estudio.
En concreto, los investigadores se centraron en un compuesto conocido desde hace tiempo por poseer una «onda de densidad de carga», es decir, un estado en el que los electrones se autoorganizan con una densidad que es periódica en el espacio, recuerda Burch.
La teoría fundamental de esta onda imita los componentes del modelo estándar de la física de partículas, afirma. Sin embargo, en este caso, la onda de densidad de carga es bastante especial, emerge muy por encima de la temperatura ambiente e implica la modulación tanto de la densidad de carga como de las órbitas atómicas. Esto permite que el Bosón de Higgs asociado a esta onda de densidad de carga tenga componentes adicionales, concretamente podría ser axial, lo que significa que contiene momento angular.
Para revelar la naturaleza sutil de este modo, Burch señala que el equipo utilizó la dispersión de la luz, en la que se hace brillar un láser sobre el material y puede cambiar el color, así como la polarización. El cambio de color se debe a que la luz crea el Bosón de Higgs en el material, mientras que la polarización es sensible a los componentes de simetría de la partícula.
Además, mediante la elección adecuada de la polarización incidente y saliente, la partícula podría crearse con diferentes componentes, como uno ausente de magnetismo, o un componente apuntando hacia arriba. Aprovechando un aspecto fundamental de la mecánica cuántica, utilizaron el hecho de que para una configuración, estos componentes se cancelan. Sin embargo, para una configuración diferente se suman.
«De este modo, pudimos revelar el componente magnético oculto y probar el descubrimiento del primer modo axial de Higgs», resume Burch.
«La detección del Higgs axial se predijo en la física de partículas de alta energía para explicar la materia oscura –prosigue–. Sin embargo, nunca se ha observado. Su aparición en un sistema de materia condensada fue completamente sorprendente y anuncia el descubrimiento de un nuevo estado de simetría rota que no se había predicho».
Según apunta, «a diferencia de las condiciones extremas que suelen requerirse para observar nuevas partículas, esto se hizo a temperatura ambiente en un experimento de mesa en el que logramos el control cuántico del modo con sólo cambiar la polarización de la luz».
Y añade que las técnicas experimentales aparentemente accesibles y sencillas desplegadas por el equipo pueden aplicarse al estudio en otras áreas.
«Muchos de estos experimentos fueron realizados por un estudiante de mi laboratorio –precisa Burch–. El enfoque puede aplicarse directamente a las propiedades cuánticas de numerosos fenómenos colectivos, incluidos los modos en superconductores, imanes, ferroeléctricos y ondas de densidad de carga. Además, llevamos el estudio de la interferencia cuántica en materiales con fases correlacionadas y/o topológicas a la temperatura ambiente superando la dificultad de las condiciones experimentales extremas».
EP