Физики из Стэнфордского университета (США) показали, как можно получить свидетельства существования гипотетической нейтральной элементарной частицы — аксиона.

Новый вид частиц был введен в рассмотрение в 1977 году. Чрезвычайно малая масса и отсутствие заряда делают аксионы перспективными кандидатами на роль составляющих холодной темной материи. Поиск аксионов продолжается уже довольно долго, но убедительных доказательств их существования пока нет.

Авторы нашли новый подход к проблеме: им удалось установить связь между элементарными частицами и недавно открытым классом материалов — топологическими изоляторами. Особенность топологических изоляторов состоит в том, что в их приповерхностных слоях электроны могут перемещаться свободно, «без сопротивления».

Оказалось, что математическое описание определенных электромагнитных свойств топологических изоляторов и аксионов в точности совпадает. «В этом и заключается красота физики, — говорит руководитель исследования Шоу-Чэн Чжан (Shou-Cheng Zhang). — Топологические изоляторы становятся удобной экспериментальной моделью, «крошечной Вселенной» для аксионов».

В одном из предлагаемых опытов ученые рассматривают новую квазичастицу — аксионный поляритон, который во многом напоминает более привычный фононный поляритон. По расчетам авторов, обнаружить следы такой квазичастицы должно быть сравнительно просто: нужно направить на образец излучение, падающее под прямым углом к его поверхности, и включить статическое магнитное поле. Варьируя индукцию поля, можно изменять полосу частот, в которой излучение будет отражаться; подобная зависимость и служит отличительной чертой аксионного поляритона.

Исследователи также предлагают конкретные варианты топологических изоляторов, которые подойдут для экспериментов. Всем требованиям соответствуют материалы Bi2Te3, Bi2Se3 и Sb2Te3 с примесями 3d-переходных металлов вроде железа. Вещества другого возможного класса имеют формулу АхВОу, где В — некоторый 5d-переходный металл, а А — щелочной металл.

«Если бы нам удалось «увидеть» аксионы в лабораторном эксперименте, мы наверняка приблизились бы и к решению основной задачи — прямой регистрации частицы», — заключает г-н Чжан.