素粒子物理学は、誰もが得意とする分野ではない。物理学者のチームが、移動する方向によって異なる振る舞いをする奇妙な種類の粒子の存在を理論化した—一方向では質量を持たず、反対方向に移動するときには質量を持つのである。この奇妙で捉えどころのない粒子は、セミディラック・フェルミオンまたは「準粒子」として知られ、実際にその動きが観察された。これを検出するため、研究者たちは半金属結晶を絶対零度近くまで冷却し、強力な磁場と赤外線を照射して、これらの特異な準粒子の信号の捕捉に成功した。
素粒子物理学は、物質の基本的な構成と、それらの相互作用を支配する力を研究する物理学の分野である。クォーク、レプトン、ボソンなど、原子や私たちの周りのすべてを構成する宇宙の最小の構成要素である粒子に焦点を当てている。これらの素粒子は、電磁力、重力、強い核力、弱い核力といった基本的な力を通じて相互作用する。素粒子物理学の研究では、粒子を光速近くまで加速して衝突させ、その挙動や性質を観察する高エネルギー実験が行われることが多い。
素粒子物理学での発見はそれほど一般的ではないが、ペンシルベニア州立大学の研究チームが、準粒子として知られる新しい種類の粒子の発見を発表した。準粒子は、結晶構造やその他の格子構造における量子エネルギーで、運動量と位置を持ち、場合によっては粒子として考えることができる。彼らはこの新しい準粒子をセミディラック・フェルミオンと名付けた。この発表までは、この奇妙な粒子が理論化されてから16年が経過していた。
素粒子物理学では、常識に反することがしばしば起こりうる。ZrSiS結晶（ジルコニウムケイ素硫化物）で発見されたセミディラック・フェルミオンの場合、まさにそうである。一方向に移動するときには質量を持つように見えるが、反対方向では質量を持たないように見える。これは、粒子がその運動からエネルギーを得る場合に可能となり、この場合、ほぼ純粋なエネルギーが光速で移動していることになる。
この発見は、光速で移動するものは質量を持ちえないとするアインシュタインの特殊相対性理論と一致している。主任研究者のYinming Shaoは次のように述べている：「固体物質では、準粒子として知られる多くの粒子の集団的な振る舞いが、個々の粒子とは異なる振る舞いを示すことがあり、この場合、一方向にのみ質量を持つ粒子が生まれました」。
研究チームは、フロリダのNational High Magnetic Field Laboratoryにあるハイブリッド磁石を使用して、地球の磁場の90万倍も強い磁場を生成した。彼らはZrSiS結晶を絶対零度のわずか数度上まで冷却し、その量子的性質を探るために磁場を加えながら赤外線を照射した。これにより、物質内の電子が光にどのように応答するかを研究することができ、予想された特徴に加えて、チームを困惑させるいくつかの特徴が明らかになった。
磁場は彼らの実験において重要な要素であり、結晶内の電子を固定値を持つランダウ準位と呼ばれる離散的な状態に量子化させた。準位間の差は電子の質量と磁場の強さに依存する。磁場が増加すると、電子のエネルギー準位はその質量に基づいて増加するはずだが、そうはならなかった。
Shaoは以下のように研究結果を説明している：「粒子を、物質の基礎となる電子構造である線路網に閉じ込められた小さな列車だと想像してください。ある地点で線路が交差しており、私たちの粒子列車は高速線路を光速で移動していますが、交差点に到達すると垂直な線路に切り替える必要があります。突然、抵抗を経験し、質量を持つのです。粒子は、物質の線路に沿った移動の方向に応じて、純粋なエネルギーになるか、質量を持つかのいずれかになります」。
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