Förstadium till Higgsmekanismen observerat
Genom att studera kalla atomer har forskare på ett unikt sätt kunnat observera ett förstadium till en kvantfasövergång, och därigenom studera fysikaliska processer som kan liknas vid den så kallade Higgsmekanismen.
Många har kanske hört talas om Higgspartikeln, särskilt efter att Peter Higgs fick Nobelpriset i fysik 2013. Efter årtionden av försök kunde partikeln tillslut observeras vid partikelacceleratorn CERN i Genève. Higgsmekanismen försöker förklara varför elementarpartiklar – materiens minsta beståndsdelar – har massa.
I den kondenserade materiens fysik, alltså läran om vätskors och fasta materials egenskaper, har en analog teori utvecklats för att beskriva bland annat kvantmekaniska fasövergångar.
Forskare vid Lunds tekniska högskola, LTH, har tillsammans med kollegor i Heidelberg i Tyskland och Århus i Danmark nyligen lyckats genomföra en studie, byggd runt ett unikt experiment i Tyskland, där denna analogi till Higgsmekanismen nu kan bekräftas i ett system med bara ett fåtal atomer.
– Den teoretiska grunden för hur kvantfasövergångar uppstår i system med ett fåtal partiklar började vi jobba med för fem år sedan, men nu har våra kollegor i Tyskland lyckats genomföra ett experiment som bekräftar den teorin med ovanligt hög precision, säger Johannes Bjerlin, tidigare postdoktor vid LTH.
Kalla atomer
Detta har man kunnat göra genom att använda så kallade kalla atomer som studerats vid ett laboratorium i Heidelberg, där man alltså kunnat återskapa teoretiska modeller och faktiskt mäta vad som händer.
Upptäckten kan bland annat ge mer kunskap om kvantmekaniska processer som liknar de förlopp där ämnen ändrar form från gas, vätska eller fast form till ett annat tillstånd.
Själva experimentet är svårbegripligt för en utomstående, men handlar om att man stänger in atomerna i ett laserfält som bildar en slags fälla, där man kan studera dem i två dimensioner. För att lyckas måste atomerna vara extremt kalla.
Liknande studier har tidigare gjorts i större system, men i det nya experimentet har man kunnat isolera så få som fyra eller sex atomer, vilket experimentellt är mycket svårt att genomföra.
– Vi har lyckats leda i bevis att det vi ser är ett förstadium till en kvantfysikalisk process som man i partikelfysiken kallar Higgsmekanismen. Våra kollegor i Heidelberg har nu lyckats mäta de signaler som vi förutspådde i en tidigare teoretisk studie, säger Johannes Bjerlin.
Komplicerade beräkningar
Detta handlar om grundforskning, så något omedelbart användningsområde finns inte. Men kunskapen behövs för att förstå hur olika material kan bete sig. Johannes Bjerlin säger att studien också faller inom ramen för det som i dag kallas kvantsimulation.
En av de stora utmaningarna inom dagens forskning är att hantera de modeller som är så komplicerade att även de snabbaste datorerna inte klarar av att räkna på dem. Till exempel är de flesta system med flera växelverkande atomer i regel så komplicerade att dagens datorer är chanslösa.
– Men här har vi ett experiment som kan styras med stor precision, vilket är en stor fördel. Vissa beräkningar på en fysikalisk modell som är för komplicerade för en dator kan nämligen ibland utföras genom att skräddarsy ett experiment i ett helt annat system där man skapar en ”simulation” av modellen. Man kan på så vis få svar på frågor man inte har kunnat räkna fram svar på, berättar Johannes Bjerlin.
Kunskapen kan också användas till att öka förståelsen av suprafluider, alltså vätskor som flödar helt utan viskositet. De kan alltså exempelvis flöda upp längs väggarna på en behållare. Det som forskarna tittat på i detta experiment är ett förstadium till den sortens vätskor. Detsamma gäller för supraledare, material med extremt stor elektrisk ledningsförmåga, något som det forskas mycket på.
Fotnot:
Den teoretiska delen av forskningen har utförts av Johannes Bjerlin tillsammans med Stephanie M. Reimann, professor i matematisk fysik vid LTH i samarbete med professor Georg Bruun vid Århus universitet. Experimentet är utfört under ledning av professor Selim Jochim vid universitetet i Heidelberg.
Vetenskaplig artikel:
Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell, Nature
Kontakt:
Johannes Bjerlin, postdoktor vid LTH, Lunds universitet, johannes.bjerlin@matfys.lth.se
