科學探索：改寫基本粒子分類，第三類粒子出現了

圖片來源：quantamagazine
從宇宙線到誇克，宇宙中的所有粒子都可以歸於兩大類，要麽是費米子，要麽是玻色子。而這種分類方式也相當於將自然界的基本粒子劃分進了兩個不同的王國。不過現在，研究人員已經發現了第三個粒子王國的首個成員。
這個新成員就是任意子。之所以能這樣劃分，是因為任意子既不像費米子也不像玻色子，它處在一種中間態。最近發表在《科學》雜誌上的一篇論文中，物理學家首次獲得了實驗證據，證明任意子不能被歸類進另兩個粒子王國中。“我們有玻色子和費米子，現在我們有了第三個王國，”諾貝爾物理學獎得主，麻省理工學院的弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）表示，“這絕對是一個裏程碑。”
什麽是任意子？
在認識任意子之前，我們先來看看玻色子和費米子。在一組由全同粒子組成的體係中，如果在體係的一個量子態（即由一套量子數所確定的微觀狀態）上隻容許容納一個粒子，這種粒子稱為費米子。比如兩個電子不能處於同一個狀態，電子就是費米子。而玻色子正相反，兩個一模一樣的玻色子可以處於同一個狀態，光子就是玻色子的典型。
費米子是粒子世界的“獨居者”，它們從不占據相同的量子態。正因為如此，作為費米子之一的電子被迫進入原子周圍的原子殼層中。這看似簡單的現象卻導致原子中有了大量的空間，元素周期表因此產生了驚人的變化，化學也因此誕生。
另一方麵，玻色子是群居的粒子，樂於聚在一起共享相同的量子態。因此作為玻色子的光子可以相互穿過，使得光線可以不受阻礙地傳播而不是四處散射。
但是，如果一個量子粒子繞著另一個量子粒子轉，而沒有回到相同的量子狀態，會發生什麽呢？為了理解這種可能性，我們需要對拓撲學，即對形狀的數學研究做一個簡短的討論。如果兩個形狀中，一個可以轉換成另一個，而不需要任何切割或粘合，那麽兩個形狀在拓撲上是等價的。一個甜甜圈和一隻咖啡杯，因為在抽象形狀上類似，所以我們認為它們在拓樸學上等價。
現在想象一下，一個粒子繞著一個粒子旋轉時的軌跡。在三維空間中，我們可以將這個軌跡一直縮小，直到縮小到某個點。從拓撲學上講，好像粒子根本沒有移動過。
但是，在二維空間中，這個軌跡不能收縮。因為這個軌跡內部包含了另一個粒子。在這個過程中，不切斷軌跡就不能繼續收縮。因為二維空間的這一限製，一個粒子繞著另一個粒子旋轉與將粒子留在同一個位置是不一樣的。
下麵這幅圖可以幫助我們理解：
想象一個繞另一個粒子轉動的粒子。在三維中，這個繞轉的粒子可以收縮到一個點，在拓撲學上等價於這個粒子沒有進行過繞轉。這在數學描述（或波函數）上被高度約束。然而在二維中，這個繞轉軌跡不能被收縮到一個點，所以這個粒子是不被約束的。因此“什麽事情都可能發生”，這個二維粒子被稱作任意子。
因此，我們認為存在第三類粒子，即任意子的可能。由於它們的波函數不局限在定義了費米子和玻色子的兩個解上，因此這些粒子既不屬於這兩個解，也不屬於這兩個解之間的任何東西。當維爾切克第一次創造任意子這個詞時，他在暗示任何事情都可能發生。
用實驗驗證
巴黎索邦大學（Sorbonne University）的物理學家格溫達爾·費夫（Gwendal Fève）組織了這項驗證任意子的實驗。他表示，“拓撲論證是任意子存在的首個暗示，我們剩下要找的是物理係統。”
當將電子限製在二維運動，冷卻到接近絕對零度，並受到強磁場的作用時，會發生非常奇怪的事情。20世紀80年代初，物理學家首次利用這些條件觀察到了“分數量子霍爾效應”，在這一過程中電子聚集在了一起，產生所謂的準粒子，其電荷隻占單個電子電荷的一小部分。（如果你覺得把電子的集體行為稱為粒子似乎很奇怪，那麽可以想想質子，它本身甚至是由三個誇克組成的。）
1984年，維爾切克、丹尼爾·阿羅瓦斯（Daniel Arovas）和約翰·羅伯特·施裏弗（John Robert Schrieffer）的一篇兩頁的開創性論文表明，這些準粒子必須是任意子。但科學家從未在這些準粒子中觀察到類似於任意子的行為。也就是說，他們無法證明任何一個粒子都不同於費米子或玻色子，即無法證明它們既不能聚在一起，也不能完全相互排斥。
而新研究想要做的就是完成這個證明。2016年，三位物理學家描述了一個實驗裝置，該裝置在二維上類似一個微型粒子對撞機。費夫和同事以此為基礎製造了類似的儀器，並用這個儀器進行任意子對撞實驗。通過測量對撞機中電流的波動，他們就能夠證明任意子的行為與理論預測是否一致。
利用這個裝置，研究人員主要就是想觀測兩個不可區分的粒子之間的碰撞所產生的結果。如果在這個裝置中發生碰撞的是費米子，那麽這些粒子在碰撞之後就會分道揚鑣，沿著不同的路徑離開；如果發生碰撞的是玻色子，它們就會以聚集在一起的形式在同一出口處出現。
從微型對撞機（如彩色掃描電子顯微鏡圖像所示）獲得的任意子存在的證據。任意子沿著由電極（黃色）決定的路徑移動。兩個任意子（藍色球體）在中心處碰撞，從兩邊退出。圖片來源：Manohar Kumar
而在對撞實驗中，任意子沒有表現出上麵兩種結果，出口處的任意子沒有完全分離，但是又不是完全聚集，聚集程度遠小於玻色子。因此，這也是首次用實驗證明了任意子存在。
布朗大學的物理學家德米特裏·費爾德曼（Dmitri Feldman）沒有參與最近的研究，他認為，“毫無疑問，一切都與理論相符。而以我的經驗，這種情況在這個領域是很不尋常的。”
維爾切克說：“很長一段時間以來，有很多證據指向任意子的存在。但是如果你問：‘是否有一種現象隻可能是任意子造成的？’從不同層麵上來說，答案是很清楚的。”
撰文：Dana Najjar
翻譯：賀白
編輯：楊心舟
文章來源：quantamagazine
文章鏈接：https://www.quantamagazine.org/milestone-evidence-for-anyons-a-third-kingdom-of-particles-20200512/


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書籍】，了解最新科普書籍
回複【團體定製】，了解最新團體定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習觀鳥相關科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情