Zespół fizyków z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign w Stanach Zjednoczonych w trakcie prac nad zupełnie innym zagadnieniem natknął się na cząstkę, którą okazała się nieuchwytna przez zawrotne 67 lat cząstka zwana potocznie demonem Pinesa. Ów demon skrywał się w badanej przez naukowców próbce metalicznego rutenianu strontu.
Czym jest demon Pinesa?
W 1956 roku fizyk teoretyczny David Pines stworzył taki twór — nazwany później od jego nazwiska demonem Pinesa — który wykorzystał do opisania zjawiska, w którym elektrony w metalach zachowują się w bardzo nietypowy sposób. Pines zdołał także określić kilka właściwości jego zachowania. Problem w tym, że takiego demona nikt nigdy nie złapał na gorącym uczynku.
Czytaj także: Wykryli nową cząstkę i już zdążyła zaskoczyć. Pentakwark ma zadziwiający skład
Elektrony, jak powszechnie wiadomo, nie są cząstkami bezmasowymi i posiadają pewną, choć bardzo małą masę oraz ładunek elektryczny. Powszechna wiedza fizyczna mówi, że wskutek oddziaływań elektrycznych elektrony łączą się w większe jednostki zwane plazmonami. Plazmon jednak nie jest jedynie konglomeratem pojedynczych fotonów. Zamiast tego tracą one swoje własności i tworzą jedną większą jednostkę o nowej masie. Proces powstawania plazmonu z elektronów wymaga dostarczenia dużej ilości energii, przez co nie zachodzi w temperaturze pokojowej.
I tu właśnie na scenę wchodzi David Pines. Według opublikowanej przez niego ponad sześć dekad temu pracy można założyć, że skoro elektrony posiadają liczne pasma energii — a to jest cechą większości metali — to plazmony mogą się tworzyć nawet poza fazą. Są one wtedy nie tylko całkowicie bezmasowe, ale także charakteryzują się ładunkiem obojętnym. Idąc dalej tym tokiem rozumowania, Pines przekonywał, że skoro demony są cząstkami bezmasowymi, to teoretycznie powinny powstawać przy dowolnej energii i w każdej temperaturze. Problem z nimi jest jednak taki, że ze względu na brak ładunku, nie pozostawiają one po sobie żadnego śladu w eksperymentach ze skondensowaną materią, w których do pomiarów wykorzystuje się światło. A jeżeli demon taki, niczym ciemna materia, nie wchodzi w interakcje ze światłem, to nie da się go w żaden sposób wskazać palcem i zidentyfikować.
Przypadkowe odkrycie
Do nieoczekiwanego odkrycia demona Pinesa doszło w 2018 roku, kiedy to naukowcy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign analizowali właściwości elektroniczne stosunkowo mało wtedy poznanego rutenianu strontu. W swoich badaniach fizycy wykorzystywali metodę, w której elektrony wystrzeliwane są w kierunku metalu w celu poznania jego właściwości. Metoda ta niejako przy okazji pozwala na wykrywanie plazmonów. W trakcie swoich badań naukowcy zauważyli, że udało im się dostrzec nową cząstkę bezmasową. Co ciekawe, naukowcy przekonują, że podówczas któryś z nich nawet zażartował, że być może odkryli demona Pinesa. Im dalej jednak zagłębiano się w dane obserwacyjne, tym bardziej wszystko wskazywało, że ten żart ma wiele wspólnego z rzeczywistością. W danych bowiem znaleziono dwa pasma elektronów oscylujące poza fazą, a taką własność demona opisał właśnie Pines sześć dekad wcześniej.
Naukowcy przyznają, że faktycznie korzystali ze stosunkowo rzadko wykorzystywanej techniki badawczej, a i substancja, którą badali, też nie była jeszcze dobrze poznana. Można powiedzieć, że to wprost idealne warunki do tego, aby odkryć coś zupełnie nowego. Swoją drogą ciekawe, ile takich tajemniczych i niepoznanych jeszcze cząstek czeka spokojnie w naszym otoczeniu.
