自己是自己的反粒子?找到“马约拉纳费米子”存在的确切证据

 

编按:2017/7/20 加州大学和史丹佛大学的团队在《科学》(Science)期刊上发表研究,宣布找到马约拉纳费米子(Majorana fermion)存在的确切证据。这个研究的突破为何?和之前的“上帝粒子”希格斯玻色子又有什么不同?这一切的一切,先让我们从反粒子开始说起吧。

1928 年,物理学家狄拉克(Paul Dirac)推导出著名的狄拉克方程式,并因此预言反粒子的存在。仅仅四年之后,安德森(Carl Anderson)便从宇宙射线观测到电子的反粒子(正子)。从此,反粒子便成了基础物理拼图里不可或缺的角色。

时至今日,我们知道,所有粒子都有自己的反粒子。而且,粒子和其反粒子具有相同质量,却携带相反电荷1。 除此之外,有些粒子比较独特,它是自己的反粒子。

怎样的粒子,才能成为自己的反粒子呢?

如前所述,粒子和反粒子拥有的电荷是相反的。所以,必须是电中性的粒子,才可能成为自己的反粒子。举例来说,不带电的光子和希格斯玻色子(Higgs boson),就是自己的反粒子。

然而,物理学家根据粒子的性质,将所有粒子分类成“自旋为整数的玻色子”和“自旋为半整数的费米子”。上述的光子和希格斯粒子,均是玻色子。1937 年,物理学家马约拉纳(Ettore Majorana)提出,费米子可以是自己的反粒子 ──现称为马约拉纳费米子(Majorana Fermion),只不过,至今我们仍未发现其存在。

在粒子物理标准模型中,唯一有可能是马约拉纳费米子的,只有中微子2。目前已有许多进行中的实验,意在确认中微子是否真的是自己的反粒子。另一方面,在凝态物理领域,近年陆续有研究团队发表相关研究,并在实验中创造出类似马约拉纳费米子的现象──只不过,既有的观测结果都还有些未竟之处。

昨天(2017年7月20日),加州大学和史丹佛大学的团队在知名期刊《科学》(Science)上发表文章〈Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure〉,宣布发现马约拉纳费米子存在的确切证据。他们利用超导体和拓朴绝缘体制作出新的实验装置,比先前类似实验更进一步,并成功观测到期待的现象,显示了马约拉纳费米子的存在。

严格来说,这个研究观察到的马约拉纳费米子,并不是真正的马约拉纳费米子,而是一群电子在特别设计下,激发成为准粒子(quasiparticle)而表现出类似马约拉纳费米子的性质。自然界中,究竟存不存在基本的马约拉纳费米子仍是个问号。不过,若这个实验成果为真,我们倒是可以肯定,能够在实验室人为地产生类似马约拉纳费米子的现象──这已经是实验上的重要成就,而且可能具有许多应用上的潜力;如研究团队领导者张首晟教授所言,这对未来建造量子电脑,将会有所帮助。

无论如何,这是人类在马约拉纳费米子的探索上,重要的一步,也是实验方法的创新。就让我们拭目以待未来的发展与应用吧!

 

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