什么是“天使粒子”？

苗千

這種奇異的粒子因何得名？

過去幾年來，盡管造成過種種誤解，人們也開始逐漸習(xí)慣了在粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中有著特殊地位的希格斯玻色子被稱為“上帝粒子”，這本來是媒體在報(bào)道粒子物理學(xué)的進(jìn)展時(shí)記者與編輯的一個(gè)誤會(huì)，如今卻已經(jīng)成為希格斯玻色子的別名。2017年7月21日，《科學(xué)》（Science）雜志上刊載的一篇論文，又讓“天使粒子”一詞進(jìn)入了人們的視野，難免會(huì)讓人感到莫名其妙。這是怎么樣的一個(gè)粒子，又因何得名？

在《科學(xué)》雜志上刊登的是來自加州大學(xué)和斯坦福大學(xué)的幾位華裔物理學(xué)家合作研究的成果——《絕緣體-超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)量子反?；魻栃?yīng)的手性馬約拉納費(fèi)米子模式》（Chiral Majorana Fermion Modes in a Quantum Anomalous Hall Insulator-Superconductor Structure），論文的標(biāo)題讀起來或許有些拗口，但它所展示的是通過凝聚態(tài)物理學(xué)技術(shù)，一種新的手段，模擬出了一種僅僅在理論中存在的奇異粒子。

1928年，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）將量子力學(xué)的基礎(chǔ)——薛定諤方程進(jìn)行推廣，使之與狹義相對(duì)論相容，提出了“狄拉克方程”。這個(gè)方程展示出了極強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。根據(jù)狄拉克方程的描述，每個(gè)費(fèi)米子都應(yīng)該有一種與之質(zhì)量相同、電量相反的粒子，被稱為“反粒子”（anti-particle），這個(gè)預(yù)測(cè)第一次讓人意識(shí)到了反物質(zhì)存在的可能。1932年，人們?cè)谟钪嫔渚€中發(fā)現(xiàn)了帶有正電荷的電子的反粒子：正電子，反物質(zhì)的概念得到了驗(yàn)證。

延續(xù)狄拉克的論斷，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在1937年發(fā)表論文，提出了可能存在著一種奇異的費(fèi)米子，它就是其自身的反粒子，這種假想中的粒子隨后也就被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”（Majorana fermion）。迄今為止80年的時(shí)間過去了，盡管很多物理學(xué)家相信馬約拉納費(fèi)米子確實(shí)存在，但人們?nèi)匀晃窗l(fā)現(xiàn)確切的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。很多人猜測(cè)，在宇宙中粒子數(shù)量排名第二，無時(shí)無刻不在穿越地球和我們的身體的中微子可能就是一種馬約拉納費(fèi)米子，但是問題在于中微子以接近光速的速度在宇宙中穿行，極少與其他任何物質(zhì)發(fā)生相互作用，想要對(duì)其進(jìn)行可控的實(shí)驗(yàn)難度極大。

目前在全世界有多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都在進(jìn)行中微子實(shí)驗(yàn)，希望通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)中微子就是馬約拉納費(fèi)米子的證據(jù)。但因?yàn)檫@類實(shí)驗(yàn)難度極大，人們估計(jì)，起碼在10年之內(nèi)不會(huì)有決定性的進(jìn)展。

那么，是否有可能通過其他方式觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的行為？盡管在粒子物理學(xué)領(lǐng)域難度極大，但是人們有可能繞開粒子物理學(xué)對(duì)于真正基礎(chǔ)粒子的探測(cè)而選擇利用凝聚態(tài)物理學(xué)的手段，在某些特殊的實(shí)驗(yàn)條件下，通過人造環(huán)境觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子的一些特征。

斯坦福大學(xué)的華裔物理學(xué)家張首晟此前提出了實(shí)驗(yàn)設(shè)想，利用一些特殊的材料，在特殊的實(shí)驗(yàn)條件下有可能觀測(cè)到行為與馬約拉納費(fèi)米子的行為相似的“準(zhǔn)粒子”（quasiparticle）。在此啟發(fā)之下，加州大學(xué)的幾位華人科學(xué)家在一片磁性拓?fù)浣^緣體材料上放置了一片超導(dǎo)體材料，再把實(shí)驗(yàn)材料在真空中置于極低溫下，然后接通電流。在這種極其特殊的實(shí)驗(yàn)條件下，由于拓?fù)浣^緣體材料的特性，電子只能在材料的兩個(gè)邊緣無阻礙地單向流動(dòng)。而后實(shí)驗(yàn)人員再在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中加入磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，電子的活動(dòng)變緩，乃至停止，然后倒流。

這樣的變化并非是以連續(xù)舒緩的形式進(jìn)行，而是以量子式一個(gè)一個(gè)“臺(tái)階”的方式發(fā)生。在這種情況下，馬約拉納準(zhǔn)粒子就會(huì)在超導(dǎo)層中成對(duì)地出現(xiàn)，這也是人類首次在這樣的實(shí)驗(yàn)材料中觀測(cè)到馬約拉納準(zhǔn)粒子的行為。雖然迄今為止人類仍然沒有在真正的粒子物理學(xué)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子，但是在這樣的特殊實(shí)驗(yàn)條件下，可以說觀測(cè)到了完全符合理論預(yù)測(cè)的馬約拉納費(fèi)米子的行為。因?yàn)轳R約拉納費(fèi)米子是自身的反粒子，它只算是“半個(gè)”量子，因此在量子反常霍爾效應(yīng)的觀測(cè)中，人們可以看到“半個(gè)臺(tái)階”，這正是馬約拉納費(fèi)米子在理論上最重要的特征之一。而觀測(cè)到這樣的現(xiàn)象，也是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。

2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家弗蘭克·維爾切克（Franck Wilczek）這樣評(píng)價(jià)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：“它非常清晰地觀測(cè)到了一些新東西，在基礎(chǔ)層面它不是非常地令人吃驚，因?yàn)槲锢韺W(xué)家們猜測(cè)在這樣的實(shí)驗(yàn)材料中可能觀測(cè)到馬約拉納費(fèi)米子出現(xiàn)已經(jīng)有很長的時(shí)間，但是他們把幾個(gè)實(shí)驗(yàn)因素前所未有地結(jié)合了起來，然后使這種粒子以一種無可置疑的清晰的方式被觀測(cè)到，這是一個(gè)真正的里程碑?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/08/27/slzk201734slzk20173447-2-l.jpg" style="">

雖然“準(zhǔn)粒子”并非是一種真正的基礎(chǔ)粒子，而是實(shí)驗(yàn)材料在某種特殊條件下被激發(fā)產(chǎn)生出的一種類似于基礎(chǔ)粒子的行為方式，但是對(duì)于馬約拉納費(fèi)米子的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)有可能在未來對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究有重要意義。量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)正是在于微觀粒子的“量子態(tài)”，這種特殊又令人迷惑的狀態(tài)非常容易受到周圍環(huán)境的干擾而被破壞，這也是目前量子計(jì)算機(jī)研究最大的障礙之一。為了保證不受周圍環(huán)境噪聲的影響，目前所有的量子計(jì)算機(jī)都被設(shè)置在接近絕對(duì)零度的極低溫下進(jìn)行工作。而馬約拉納費(fèi)米子，因?yàn)槠渚褪亲陨淼姆戳Ｗ?，每個(gè)粒子相當(dāng)于“半個(gè)”量子，因此，一個(gè)“量子比特”（qubit）可以被存儲(chǔ)在兩個(gè)相隔較遠(yuǎn)的馬約拉納費(fèi)米子中，只有這兩個(gè)粒子同時(shí)受到破壞，其中所存儲(chǔ)的信息才會(huì)丟失。在理論上利用馬約拉納費(fèi)米子建造的量子計(jì)算機(jī)更不容易受到周圍環(huán)境的影響，工作會(huì)更加穩(wěn)定。

張首晟在接受采訪時(shí)，把這個(gè)被觀測(cè)到的馬約拉納費(fèi)米子現(xiàn)象稱為“天使粒子”，其靈感來自于美國作家丹·布朗（Dan Brown）的暢銷小說《天使與魔鬼》（Angels and Demons），這本書中的情節(jié)包括有人試圖利用反物質(zhì)炸彈炸毀梵蒂岡。而根據(jù)馬約拉納費(fèi)米子的性質(zhì)，物質(zhì)與反物質(zhì)屬于同體，所以可以說只有“天使”沒有“魔鬼”，也可說是“天使”與“魔鬼”同體了。（本文寫作參考了斯坦福大學(xué)網(wǎng)站的報(bào)道）