科普:華人科學(xué)家首次找到的“天使粒子”是什么？

　　希格斯玻色子、引力波，這幾年的物理學(xué)界捷報(bào)連連，盡管大多數(shù)人不知道這些發(fā)現(xiàn)意味著什么，頂多多了一個(gè)高頻詞匯或者多了一項(xiàng)談資，不求甚解。一篇名為《量子反?；魻栃?yīng)絕緣體—超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的手性馬約拉納費(fèi)米子?！返恼撐陌l(fā)表在本月20日的《Science》雜志上。一個(gè)名叫“天使粒子”的名詞開始刷屏，各大媒體爭相報(bào)道，“80年的追蹤終于找到”“拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)”“諾獎(jiǎng)候選”等等標(biāo)簽統(tǒng)統(tǒng)貼上，并且宣稱該發(fā)現(xiàn)“結(jié)束了國際物理學(xué)界對(duì)這一神秘粒子長達(dá)80年的漫長追尋”。

　　事實(shí)上，就連科研團(tuán)隊(duì)本身，都未曾聲稱找到了這個(gè)沒有反粒子“正反同體”的著名的“馬約拉納費(fèi)米子”，而是將之稱為“馬約拉納費(fèi)米子?！?，一字之差，大有文章，是“粒子”與“準(zhǔn)粒子”的差別，也是粒子物理和凝聚態(tài)物理的差別，或者按照參與人員張首晟教授的話來說，這次的發(fā)現(xiàn)是馬約拉納費(fèi)米子存在的“鐵證”，但是鐵證與真正的馬約拉納費(fèi)米子之間還有距離。

　　●南方日?qǐng)?bào)駐京記者 王騰騰

　　焦點(diǎn)1

　　馬約拉納費(fèi)米子有沒有被找到？

　　答案：沒有！只是證明了具有馬約拉納費(fèi)米子激發(fā)的輸運(yùn)態(tài)，并且世界上首次實(shí)現(xiàn)其粒子的量子化，是世界上首次實(shí)驗(yàn)證明這種粒子存在的最有力證據(jù)。

　　文章的第一作者、加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的何慶林是這樣解釋這次研究的：“本次研究是利用了反常量子霍爾絕緣體與超導(dǎo)體的耦合機(jī)制而形成一種新的拓?fù)淞孔討B(tài)，稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)體。UCLA團(tuán)隊(duì)利用分子束外延技術(shù)，制備了只有6納米厚的反常量子霍爾絕緣體薄膜，然后在表層沉積超導(dǎo)體后將樣品冷卻至接近絕對(duì)零度，通過外加電場和磁場的調(diào)控，測試樣品的量子電導(dǎo)，來證明了具有馬約拉納費(fèi)米子激發(fā)的輸運(yùn)態(tài)，并且世界上首次實(shí)現(xiàn)其粒子的量子化，因此此工作是世界上首次實(shí)驗(yàn)證明這種粒子存在的最有力證據(jù)。”

　　何慶林的解釋充滿了各種專業(yè)名詞，但拋開復(fù)雜的理論與技術(shù)來看，其意思就是“本項(xiàng)研究的重點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)中觀測到了馬約拉納費(fèi)米子模存在的證據(jù)，同時(shí)又極大程度上排除了其他因素的影響，成為馬約拉納準(zhǔn)費(fèi)米子存在的有力證據(jù)”。也就是說，這項(xiàng)研究提供了證據(jù)證明“馬約拉納費(fèi)米子是存在的”，但是至今仍未能發(fā)現(xiàn)它。

　　焦點(diǎn)2

　　“天使粒子”究竟是什么？

　　答案：并不是真正的粒子，更不是所謂的基本粒子，而是“準(zhǔn)粒子”，是作為固態(tài)系統(tǒng)中簡化多體問題的手段之一而引入的數(shù)學(xué)模型。

　　實(shí)際上，此次宣布發(fā)現(xiàn)的“馬約拉納費(fèi)米子”并不是真正的粒子，更不是所謂的基本粒子，而是“準(zhǔn)粒子”，是作為固態(tài)系統(tǒng)中簡化多體問題的手段之一而引入的數(shù)學(xué)模型。例如，常見的準(zhǔn)粒子的例子還包括，為了描述固態(tài)系統(tǒng)中原子震動(dòng)的傳播而引入的“聲子”。

　　文章的共同第一作者、加州大學(xué)洛杉磯分校的潘磊表示：“馬約拉納費(fèi)米子本來是一個(gè)高能物理概念，是一種有質(zhì)量的基本粒子，很多人認(rèn)為中微子就是馬約拉納費(fèi)米子。這里要說明，現(xiàn)在所有的發(fā)現(xiàn)，都不是真正看到了馬約拉納費(fèi)米子，而是發(fā)現(xiàn)了‘符合馬約拉納費(fèi)米子性質(zhì)的激發(fā)態(tài)’?！?/p>

　　中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼對(duì)此評(píng)價(jià)說，這個(gè)發(fā)現(xiàn)不是基本粒子，而是在極低溫條件之下以及二維材料的邊界上造成的某種量子態(tài)，這個(gè)態(tài)滿足中性粒子的要求，即其反態(tài)就是自身。鑒于這種量子態(tài)需要極端條件，距離應(yīng)用還比較遠(yuǎn)，如果我用一句大白話來解釋，就是“凝聚態(tài)物理還沒有攻陷粒子物理”。

　　焦點(diǎn)3

　　馬約拉納費(fèi)米子藏在哪里？

　　答案：不知道，可能在中微子里。

　　截至目前，又出現(xiàn)了兩個(gè)對(duì)立的概念，即粒子與準(zhǔn)粒子、粒子物理與凝聚態(tài)物理。這組關(guān)系才是理解這項(xiàng)科研成果的關(guān)鍵所在。

　　根據(jù)物理學(xué)定義，粒子指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)到400多種。按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，將粒子分為三類，媒介子、輕子、強(qiáng)子。按照粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，基本粒子有費(fèi)米子和玻色子兩大類，費(fèi)米子構(gòu)成物質(zhì)并通過交換玻色子發(fā)生相互作用。依據(jù)超對(duì)稱性原理，所有的費(fèi)米子都存在反粒子，比如正電子就是電子的反粒子。

　　1928年，物理學(xué)家保羅·迪拉克做出了一個(gè)預(yù)測：宇宙中的每個(gè)基本粒子都有一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的反粒子——電荷相反的“雙胞胎”。當(dāng)粒子與反粒子相遇時(shí)，它們會(huì)湮滅，同時(shí)釋放出一股能量。果然，幾年后第一個(gè)反物質(zhì)——電子的反粒子被發(fā)現(xiàn)。但在1937年，另一位物理學(xué)家埃托里·馬約拉納指出了一個(gè)反轉(zhuǎn)：他預(yù)測，在一類被稱為“費(fèi)米子”的粒子(包括了質(zhì)子、中子、電子、中微子和夸克)中，應(yīng)該有一些粒子，自己就是自己的反粒子。但馬約拉納費(fèi)米子被預(yù)言之后，截至該項(xiàng)研究成果發(fā)布，粒子物理學(xué)中的馬約拉納費(fèi)米子在過去的80年間了無蹤跡。

　　馬約拉納的預(yù)言只針對(duì)不帶電荷的費(fèi)米子，比如中子和中微子?？茖W(xué)家們已經(jīng)找到了中子的反粒子；至于中微子，有很好的理由認(rèn)為它的反粒子可能就是它本身。目前有4個(gè)實(shí)驗(yàn)正試圖驗(yàn)證這一論斷——比如新墨西哥州的濃縮氙觀測站的最新升級(jí)版EXO—200。不過這些實(shí)驗(yàn)難度太大，可能在未來十年內(nèi)都難以得到結(jié)論。

　　焦點(diǎn)4

　　“準(zhǔn)馬約拉納費(fèi)米子”又是什么？

　　答案：符合馬約拉納費(fèi)米子性質(zhì)的激發(fā)態(tài)。

　　2013年3月14日，歐洲核子研究組織公開確認(rèn)：探測到的新粒子是希格斯玻色子，而發(fā)現(xiàn)的手段是在大型對(duì)撞機(jī)中。而這次發(fā)現(xiàn)的“馬約拉納費(fèi)米子”，并不是在對(duì)撞機(jī)或者其它粒子物理的探測設(shè)備中被發(fā)現(xiàn)。

　　記者了解到，大約10年前，科學(xué)家們意識(shí)到馬約拉納費(fèi)米子還可能在材料物理的實(shí)驗(yàn)中制造出來，于是，一場找到這種粒子的“競賽”在學(xué)界拉開了帷幕。他們尋找的，其實(shí)是“準(zhǔn)粒子”。所謂準(zhǔn)粒子是復(fù)雜系統(tǒng)的一種物理現(xiàn)象，它雖然不是“真”的粒子，但是其行為就像是一個(gè)粒子。在超導(dǎo)材料中，許多電子的集合行為，就能產(chǎn)生出準(zhǔn)粒子。

　　實(shí)際上，對(duì)于馬約拉納費(fèi)米子的尋找已經(jīng)從純粹的粒子物理的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟蹜B(tài)物理的方式。中科院物理研究所研究員戴希表示，當(dāng)代凝聚態(tài)物理中涉及的這些所謂“新粒子”，無論是外爾費(fèi)米子還是馬約拉納費(fèi)米子，都是在“準(zhǔn)粒子”或“元激發(fā)”意義上講的。

　　凝聚態(tài)物理學(xué)家認(rèn)為，調(diào)控固體材料中大量電子的集體運(yùn)動(dòng)模型，可以獲得“準(zhǔn)馬約拉納費(fèi)米子”。在2010年至2015年間，張首晟團(tuán)隊(duì)連續(xù)發(fā)表了多篇論文，闡述了利用磁場調(diào)控由量子反?；魻栃?yīng)薄膜和超導(dǎo)薄膜構(gòu)成的混合器件中的電子集體運(yùn)動(dòng)模式，通過是否存在半整數(shù)量子化電導(dǎo)平臺(tái)來判定這種準(zhǔn)粒子的存在。

　　過去的5年中，科學(xué)家們用這凝聚態(tài)物理的研究手段取得了一定成果。曾有研究者表示，在研究超導(dǎo)納米線材的試驗(yàn)中觀測到了很可能是馬約拉納費(fèi)米子的痕跡。2016年6月22日，上海交通大學(xué)賈金鋒科研團(tuán)隊(duì)宣布，通過一種由拓?fù)浣^緣體材料和超導(dǎo)體材料復(fù)合而成的特殊人工薄膜，已在實(shí)驗(yàn)室里成功捕捉到了馬約拉納費(fèi)米子。

　　但在之前的實(shí)驗(yàn)中，這些準(zhǔn)粒子都是被“束縛”的——它們被困在特定的位置，而不會(huì)在時(shí)空中傳播；而且人們也很難確認(rèn)這些痕跡是不是也有其他效應(yīng)的作用。斯坦福大學(xué)的報(bào)道新聞稿將之形容為“如同犯罪現(xiàn)場還在冒煙的槍”。

　　名詞解釋

　　粒子

　　粒子指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)到400多種。而按照粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，基本粒子有費(fèi)米子和玻色子兩大類，費(fèi)米子構(gòu)成物質(zhì)并通過交換玻色子發(fā)生相互作用。

　　粒子物理

　　研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，和在很高能量下這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)生原因和規(guī)律的物理學(xué)分支，又稱高能物理學(xué)。量子力學(xué)、愛因斯坦的相對(duì)論等均屬于粒子物理學(xué)的范疇。

　　粒子物理所取得的豐碩成果已經(jīng)在宇宙演化的研究中起著重要的作用，例如以對(duì)撞機(jī)、粒子加速器、粒子探測器等為主要的探測手段。

　　粒子與準(zhǔn)粒子的關(guān)系

　　粒子和準(zhǔn)粒子的關(guān)系就像球員和球隊(duì)的關(guān)系：一支足球隊(duì)中每個(gè)球員可以看作是傳統(tǒng)意義上的粒子，球員之間相互配合可以看作是粒子之間的非常復(fù)雜的相互作用，雖然每個(gè)球員都有自己的特點(diǎn)，但整體上球隊(duì)卻會(huì)表現(xiàn)出來一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)格。

　　凝聚態(tài)物理

　　凝聚態(tài)物理學(xué)是從微觀角度出發(fā)，研究由大量粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態(tài)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)過程及其與宏觀物理性質(zhì)之間的聯(lián)系的一門學(xué)科。凝聚態(tài)物理是以固體物理為基礎(chǔ)的外向延拓，以萬物皆成于原子為宗旨，以量子力學(xué)為基礎(chǔ)研究各種凝聚態(tài)。比如我們所熟知的超導(dǎo)即屬于此范疇。

　　凝聚態(tài)物理學(xué)有力地促進(jìn)了諸如化學(xué)、物理、生物物理和地球物理等交叉學(xué)科的發(fā)展。與生產(chǎn)實(shí)踐密切聯(lián)系是它的另一重要特點(diǎn)。

　　準(zhǔn)粒子

　　準(zhǔn)粒子是凝聚態(tài)物理中一個(gè)重要概念，它是描述某種體系中大量粒子集體行為的一種方法，也就是說把傳統(tǒng)意義上的某種粒子的集體行為的某些表現(xiàn)，看作是一個(gè)粒子的行為，即準(zhǔn)粒子。

　　“天使粒子”的是怎么被發(fā)現(xiàn)的？

　　1 研究團(tuán)隊(duì)將兩種量子材料——一種超導(dǎo)體和一種磁拓?fù)浣^緣體的薄膜堆疊在一起，其中，上層薄膜是一種超導(dǎo)體，底層則是一種拓?fù)浣^緣體。

　　2 整個(gè)儀器放在低溫真空室里，讓電流從中通過，由于底層是一種拓?fù)浣^緣體，因此電流只會(huì)在其表面或邊緣傳導(dǎo)，而不經(jīng)過其內(nèi)部。它們?cè)谝黄鹦纬闪艘环N超導(dǎo)—拓?fù)浣^緣體，電子毫無阻力地沿著材料表面的兩個(gè)邊緣流動(dòng)，如同高速公路上飛馳的汽車。

　　3 研究人員在薄膜堆上掃過一塊磁鐵，通過添加少量的磁性材料來調(diào)整拓?fù)浣^緣體，使電子沿著表面兩邊的電子沿著相反的方向流動(dòng)。

　　4 電子流動(dòng)方向的變化并不連續(xù)，而是一步步地突然發(fā)生，就像在樓梯上的一級(jí)級(jí)臺(tái)階一樣。在這個(gè)循環(huán)中的某些時(shí)刻，馬約拉納費(fèi)米子的證據(jù)就出現(xiàn)了。它們成對(duì)地從超導(dǎo)層里誕生，像電子一樣沿拓?fù)浣^緣體的邊緣流動(dòng)。