Физики обнаружили в двумерной системе резонанс Хиггса
Физики из Института квантовой оптики им. М.Планка, Университета Гарварда и Калифорнийского технологического института экспериментально установили существование резонанса Хиггса в холодных атомах вблизи фазового перехода. Один из участников проекта, приглашенный докладчик Российского квантового центра, профессор факультета физики Гарвардского университета Евгений Демлер рассказал об исследованиях с использованием холодных атомов, выступив в преддверии открытия с докладом в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.
Ультрахолодные атомы и оптические решетки сегодня считаются одним из наиболее перспективных инструментов в квантовом моделировании и изучении сверхпроводимости. С помощью моделей с сильно уменьшенными энергиями (до пико- и микрокельвинов) они позволяют имитировать высокотемпературную сверхпроводимость.
Евгений Демлер: «Замечательно в этих холодных атомах то, что мы можем делать модели, которые точно реализуемы в фермионных моделях атомов. И хотя все эффекты измерить пока не удается, мы точно знаем, что в этой системе есть модель Хаббарда: это простейшая модель, описывающая взаимодействие частиц в кристаллической решетке и переход между проводящим и диэлектрическим состоянием. Связи между фермионами в ней упрощены до очень локального уровня: просто есть квадратная решетка и фермионы «бегают» из одного узла в другой». Эта модель призвана помочь в изучении причин высокотемпературной сверхпроводимости.
На этот раз в центре внимания ученых оказалось явление, которое играет ключевую роль в фазовом переходе, – спонтанное нарушение симметрии. Оно возникает, например, когда магниты в ферромагнитном материале самопроизвольно ориентируются в одном направлении при охлаждении до температуры Кюри. В случае возбуждения системы в ней могут возникнуть коллективные колебания, при которых частицы будут двигаться согласованно. Если коллективное движение происходит в соответствии с принципами теории относительности (точнее, ее «эффективной» части, в которой скорость света заменяется скоростью звука, что приводит к существенно более медленной динамике), то возможно появление особого колебания – так называемого резонанса Хиггса. В Стандартной модели, описывающей взаимодействие всех известных частиц, ему соответствует широко обсуждаемый в последнее время бозон Хиггса. Одноименное возбуждение может появляться и в твердотельных системах, если коллективное движение частиц подчиняется законам теории относительности.
Основная сложность состоит в том, что, как и в физике элементарных частиц, в твердотельных системах резонанс Хиггса быстро затухает до уровня низкоэнергетических возбуждений и поэтому с трудом поддается детектированию. Особенно короткий срок жизни он имеет в системах с небольшим числом измерений. До недавнего времени физики и вовсе сомневались в самой возможности обнаружения резонанса в таких структурах. Теперь ученым удалось экспериментально распознать колебание в двумерной системе, причем его существование установлено при крайне низких температурах, в то время как обычно это явление наблюдается на уровне максимальных температур. Такие условия создаются, например, в экспериментах Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН.
Экспериментальный прибор в Институте квантовой оптики им. М.Планка – «оптический стол» с лазерами для охлаждения атомов и оптические и электрооптические элементы, регулирующие параметры лазерных лучей. Фото с сайта fian-inform.ru
Всего исследователи охладили около 500 атомов рубидия до температуры, близкой к абсолютному нулю, и поместили их в оптическую решетку, которая образована из лазерных лучей, пересекающихся под прямым углом. Холодные атомы в ячейках решетки позволили смоделировать различные состояния вещества.
Рассказывает Евгений Демлер: «При углублении отсеков, которое достигается с помощью более интенсивного лазерного света, развивается высокоупорядоченное состояние, известное как «диэлектрик Мотта»: материал такого типа не проводит электричество из-за сильного межэлектронного взаимодействия. В этом случае охлажденные атомы занимают фиксированное положение в ячейках. При уменьшении глубины ячеек происходит фазовый переход, и вещество превращается в сверхтекучую жидкость».
При этом атомы получают возможность беспрепятственно рассредоточиваться и становятся частью квантово-механической волны, которая распространяется на всю решетку (из-за двумерности ее можно сравнить с кожей барабана). Когда равновесие единой квантовой системы нарушается, коллективные колебания могут образовать колебание особого типа – «резонанс Хиггса», который аналогичен вибрации барабанной кожи при ударе.
Исследователи настроили параметры двумерной системы таким образом, что квантовый газ оказался близок к фазовому переходу между диэлектриком Мотта и сверхтекучей жидкостью. Затем глубину ячеек стали изменять на короткое время (порядка нескольких миллисекунд); плавность и непродолжительность модуляции были важны для того, чтобы избежать побочных эффектов и распознать нужный резонанс. С помощью разработанного группой высокочувствительного метода, который позволяет измерять температуру с точностью до одной миллиардной кельвина, ученые обнаружили небольшие пики в распределении температур при определенных значениях частот модуляции. Повышение температуры объясняется тем, что система поглощает больше энергии, когда частота модуляции яркости совпадает с частотой колебания в хиггсовом поле и резонансы образуются более интенсивно.
Результаты наблюдений могут быть использованы для исследования хиггсова поля в концепциях, рассматривающих системы с более высоким числом измерений, например, в теории струн. В теоретическом виде точную форму резонанса Хиггса на данный момент вычислить невозможно (хотя его теоретическое описание проще, чем в случае с бозоном Хиггса на БАК): препятствием вновь служит сильное затухание колебания. Сейчас физики сконцентрированы на обосновании принципа детектирования резонанса.
Источник: АНИ «ФИАН-Информ»
Комментарии читателей Оставить комментарий