Прямой скачок в терагерцовый диапазон: материалы Дирака обеспечивают эффективное преобразование сигнала при комнатной температуре
Бозон Хиггса: подтверждение теории
Хотя существование бозона Хиггса предполагалось в течение десятилетий, его прямое наблюдение произошло в 2012 году на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН. С тех пор его изучение продолжается. Новое исследование, проведённое учёными ЦЕРН, объединяет данные двух запусков детектора ATLAS, чтобы предоставить доказательства того, что бозон Хиггса может распадаться на пару мюон-антимюон.
Исследование, [опубликованное](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gzdh-p159) в Physical Review Letters, сообщает о значимости в 3,4 стандартных отклонения избыточного сигнала над фоном при объединении двух запусков — выше, чем предыдущие данные от Compact Muon Solenoid (CMS) в 3,0 стандартных отклонения.
Физики стремятся обнаружить этот конкретный распад бозона Хиггса по веской причине. В странном мире физики элементарных частиц, где субатомные частицы описываются их «ароматами», а частицы, вступающие в контакт со своими соответствующими античастицами, аннигилируют друг друга, масса частицы возникает через взаимодействие с полем Хиггса.
Согласно [Стандартной модели](https://phys.org/news/2022-07-higgs-boson-ten-years-discovery.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal), бозон Хиггса является проявлением поля Хиггса, и когда он взаимодействует с частицей, он «придаёт» ей массу. Реальность, конечно, сложнее, но достаточно сказать, что наблюдение этих взаимодействий поддерживает теорию о том, что механизм Хиггса отвечает за массу частицы, и что Стандартная модель верна.
Эксперименты с бозоном Хиггса
В предыдущих экспериментах физики наблюдали взаимодействия между более тяжёлыми субатомными частицами, называемыми «фермионами третьего поколения», такими как топ-кварки, нижние кварки и тау-лептоны, через взаимодействия, называемые «юкавскими связями».
«Юкавские взаимодействия бозона Хиггса с заряженными фермионами третьего поколения были твёрдо установлены. Однако его юкавская связь со фермионами второго поколения ещё не определена окончательно», — объясняют авторы исследования.
Мюоны — это тип фермиона второго поколения — легче, чем фермионы третьего поколения, но всё же тяжелее, чем фермионы первого поколения, такие как электроны. Распад бозона Хиггса на пару мюон-антимюон является ключевым тестом механизма Хиггса для фермионов второго поколения. Столкновения протонов в ATLAS предоставляют прекрасную возможность обнаружить это явление.
Хотя этот распад чрезвычайно редок для бозона Хиггса, недавние данные из ATLAS предоставляют ещё больше доказательств его существования, и команда говорит, что их результаты совместимы с ожиданиями Стандартной модели. Дополнительные запуски в ATLAS, а также в CMS могут ещё больше повысить уверенность в этих результатах и даже открыть дверь для исследования юкавских связей Хиггса для ещё более лёгких частиц.
Материалы Дирака: новый шаг в технологиях
Высокоскоростной интернет, автономное вождение, интернет вещей: потоки данных растут с огромной скоростью. Но классическая радиотехнология достигает своих пределов: чем выше скорость передачи данных, тем быстрее должны передаваться сигналы.
Исследователи из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) продемонстрировали, что слабые радиосигналы могут быть эффективно преобразованы в значительно более высокие частоты с помощью этого материала, который имеет толщину всего несколько десятков нанометров. И всё это при комнатной температуре. Результаты открывают перспективы для будущих поколений мобильной связи и высокоразрешающей сенсорной технологии.
В настоящее время очень неэффективно увеличивать частоты до терагерцового диапазона и работать с ними. Это связано с тем, что высокочастотные сигналы должны быть усилены и стабилизированы, что до сих пор требовало много энергии и сложных схем усилителей. «Наш подход показывает, что это можно сделать гораздо проще», — объясняет доктор Георгий Астахов, заведующий отделом квантовых технологий Института физики ионных пучков и материаловедения в HZDR.
Команда использовала для эксперимента ультратонкую плёнку из теллурида ртути, материала, который принадлежит к классу материалов Дирака. Электроны в этом материале движутся так, как будто у них почти нет массы. Они чрезвычайно быстро реагируют на электромагнитные поля, что делает их очень подходящими для ускорения или смешивания сигналов.
Интересно, что этот материал не является новым открытием. Теллурид ртути десятилетиями использовался в инфракрасных детекторах. Однако новым является точный контроль электронных свойств, которые делают материал материалом Дирака. Это открывает возможности, которые ранее были немыслимы.
«Решающий момент в нашей работе наступил, когда мы ясно увидели сигнал при комнатной температуре», — говорит Татьяна Аурелиа Уман Светикова, докторант HZDR и ведущий автор исследования. «Это особенно сложно, потому что сигнал легко теряется в фоновом шуме».
В прошлом аналогичные эксперименты всегда приходилось проводить при экстремально низких температурах. Эффективность преобразования, которая позволила команде установить новый рубеж, также была поразительной — более 2%. Это необычно высокое значение в терагерцовом диапазоне; в предыдущих подходах эффективность таких преобразований частот часто находилась в диапазоне от 0,01 до 0,1%.
Для распознавания сигнала на фоне вездесущего фонового шума команда использовала Центр высокомощных источников излучения ELBE в HZDR для своих экспериментов. Здесь источник терагерцового излучения TELBE и лазер на свободных электронах FELBE создают условия для высокоточных экспериментов. Для этого конкретного эксперимента исследователям пришлось точно совместить два терагерцовых сигнала под правильным углом, с правильной интенсивностью и в нужный момент.
«Это было серьёзным вызовом», — объясняет Уман Светикова. «Мы должны были очень точно координировать источники, чтобы чётко идентифицировать взаимодействие». Только эта контролируемая суперпозиция позволила измерить значительное преобразование.
Результаты показывают, что материалы Дирака могут сыграть ключевую роль в будущих высокочастотных технологиях. «Материалы Дирака могут эффективно превращать слабые радиосигналы в более высокие терагерцовые диапазоны», — объясняет Астахов. «Это открывает перспективы для беспроводной связи далеко за пределами сегодняшней мобильной радиосвязи, вплоть до будущих систем 6G и 7G, а также для высокоразрешающего радара и сенсорной технологии».
Однако перед применением в строительстве компонентов требуются дополнительные разработки. Следующий шаг, который планирует команда, будет заключаться в дальнейшем совершенствовании структур и их переносе в различные материальные системы. Только тогда они смогут изучить, насколько хорошо такие терагерцовые смеси можно интегрировать в реальные схемы.
«Мы явно работаем здесь в области фундаментальных исследований», — резюмирует Астахов. «Но это строительный блок, который указывает путь к компактным высокочастотным технологиям».
Предоставлено Helmholtz Association of German Research Centres