新粒子「任意子」的發現呈現出一個新的粒子世界,物理學的裡程碑

2020-10-26 老胡說科學

  • 任意子的存在是從量子拓撲中推斷出來的。

宇宙中的每一個粒子(從宇宙射線到夸克)不是費米子就是玻色子。這些類別將自然的構建塊劃分為兩個截然不同的粒子王國。現在,研究人員發現了第三個粒子王國的第一個例子。

任意子,正如我們所知,即不像費米子也不像玻色子。相反,他們的行為介於兩者之間。在最近發表在《科學》雜誌上的一篇論文中,物理學家發現了第一個實驗證據,證明這些粒子不屬於任何一個王國。」我們有玻色子和費米子,現在我們有了第三個王國,」諾貝爾獎得主、麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾切克說。「這絕對是一個裡程碑。」

什麼是任意子?


要理解量子王國,可以想像一幅循環圖。想像兩個無法區分的粒子,比如電子。取其中一個,然後環繞另一個,這樣它就會回到它開始的地方。一切似乎都沒有改變。事實上,在量子力學的數學語言中,描述初態和末態的兩個波函數必須要麼等於,要麼相差-1。(在量子力學中,你可以通過平方這個波函數來計算你所觀察到的概率,所以- 1的係數就被消去了。)

如果波函數是相同的,那麼量子粒子就是玻色子。如果它們差了一個係數-1,那麼就是費米子。雖然推導看起來像是一個純粹的數學問題,但它具有深刻的物理意義。

費米子是粒子世界的「反社會成員」。它們從不佔據相同的量子態。正因為如此電子(也就是費米子)被強迫進入一個原子周圍不同的殼層中。從這個簡單的現象中產生了原子的大部分空間,元素周期表的驚人多樣性,以及所有的化學。

另一方面,玻色子是群居的粒子,它們樂於聚在一起,共享相同的量子態。因此,光子(即玻色子)可以相互穿透,使光線不受阻礙地傳播,而不是四處散射。

但是,如果當你將一個量子粒子環繞在另一個量子粒子上時,又沒有回到相同的量子狀態,會發生什麼呢?為了理解這種可能性,我們需要稍微離題到拓撲學。如果一種形狀可以不經過任何切割或粘合而轉變成另一種形狀,那麼兩種形狀在拓撲上是等價的。俗話說,甜甜圈和咖啡杯在拓撲結構上是等價的,因為它們可以被輕輕不斷地塑造成另一個。

讓一個粒子繞著另一個粒子旋轉,會產生一個循環。在三維空間中,你可以把這個循環一直縮小到一個點。從拓撲學上講,這個(粒子)好像根本沒有移動過。

然而,在二維空間中,循環不會縮小。它被另一個粒子卡住了。由於這個限制(只有在二維中才會發現),讓一個粒子繞著另一個粒子旋轉並不等於把它留在同一個地方。

我們需要第三種粒子的可能性:任意粒子。由於它們的波函數不局限於定義費米子和玻色子的兩個解,這些粒子可以不是這兩個解中的任何一個,而是介於兩者之間的任何一個。當威爾切克第一次創造任意子這個詞時,它是一種半開玩笑的暗示,意思是任何事情都可以發生。

實驗


巴黎索邦大學的物理學家格溫達爾·費弗領導了最近的這項實驗,他說:「拓撲論證是第一個跡象,表明這些任意子可能存在。」「剩下的就是物理系統了。」

當電子被限制在二維空間運動,冷卻到接近絕對零度,並受到強磁場的作用時,非常奇怪的事情開始發生。在20世紀80年代早期,物理學家首先利用這些條件來觀察「分數量子霍爾效應」,在這個效應中,電子聚集在一起產生了所謂的準粒子,其電荷只有單個電子的一小部分。(如果把電子的集體行為稱為粒子似乎有些奇怪,想想質子,它本身就是由三個夸克組成的。)

1984年,威爾切克、丹尼爾·阿羅瓦斯和約翰·羅伯特·施裡弗在一篇兩頁紙的論文中指出,這些準粒子必須是任意粒子。但科學家們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,他們無法證明任意子既不像費米子,也不像玻色子,既不聚在一起,也不完全相互排斥。

這就是這項新研究的目的。2016年,三位物理學家描述了一個類似於二維粒子對撞機的實驗裝置,用它來把任意子撞在一起。通過測量對撞機中電流的波動,他們能夠證明任意子的行為完全符合理論預測。

布朗大學物理學家德米特裡·費爾德曼沒有參與最近的研究,他說,「一切都與這個理論非常契合,沒有任何疑問。」「根據我的經驗,這在這個領域是很不尋常的。」

「在很長一段時間裡,已經有了很多證據,」威爾切克說。但如果你問:是否存在一種特定的現象,你可以指出並說任意子導致了這種現象,而你無法用其他任何方式解釋它。我認為這在一個不同的層面上是非常明顯的。」

想了解更多精彩內容,快來關注老胡說科學

相關焦點

  • 物理學被改寫,科學家發現了第三類粒子——任意子!
    最近發表在《科學》雜誌上的一篇論文中,研究人員發現了第三個粒子王國的首個成員——任意字。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。它既不像費米子也不像玻色子,而處在一種中間態。
  • 粒子加速器粉碎粒子,是如何製造新粒子的?
    在物理學的發展中,從過去自然界中的觀測到今日使用強大的粒子對撞機來尋找尺度更小的粒子,一直是物理學家的目標。但粒子到底是如何被製造的呢?粒子對撞機製造新粒子的機制是什麼?兩團隊在1974年11月同步宣布發現,確認第四種夸克的發現,這項科學重要裡程碑,在兩年後獲得諾貝爾物理學獎的肯定。因此依靠對撞機發現新粒子就是一個不斷提升撞擊能量的過程,只要能量達到,就會通過質能交換產生新的粒子。1974獲得諾貝爾物理學獎的兩人,左為Sir Martin Ryle,右為Antony Hewish。
  • 在微型粒子對撞機中尋找任意子+文小剛答疑
    原創 董唯元、文小剛 返樸 來自專輯眾妙之門 | 專欄目錄點擊上方藍字「返樸」關注我們,查看更多歷史文章任意子的發現就相當於發現了一種新的物質態——拓撲序。這是凝聚態物理和量子材料的新天地。
  • 發現粒子王國的第三類粒子
    然而,理論物理學家預測,在二維世界中,還存在著粒子王國的第三類粒子——任意子(anyon)。現在,一組法國的研究人員通過在實驗室中建造的一個微型對撞機,首次發現了第一個證明這種粒子存在的實驗證據。在介紹任意子之前,讓我們首先來了解一下費米子和玻色子。
  • 發現粒子王國的第三類粒子,既不是費米子,也不是玻色子
    然而,理論物理學家預測,在二維世界中,還存在著粒子王國的第三類粒子——任意子(anyon)。現在,一組法國的研究人員通過在實驗室中建造的一個微型對撞機,首次發現了第一個證明這種粒子存在的實驗證據。在粒子物理學的標準模型中,費米子是指自旋為半整數(如1/2、3/2等)的粒子,它包括夸克和電子等;玻色子是自旋為整數(0、1、2等)的粒子,包括含光子、膠子、希格斯玻色子等粒子。在粒子世界中,費米子就好似是「社交恐懼症」重症患者——兩個費米子永遠不會佔據相同的量子態。
  • 物理學有哪些未解決的問題?未來LHC還能發現新粒子嗎?
    「現在物理學上應該再沒有什麼新的發現了,剩下的就是越來越精確的測量。」——開爾文勳爵 19世紀末,人類對物質結構的基本認識經歷了一場非凡的革命。
  • 物理學:新的粒子加速器將探測帶電粒子如何呈現新的身份!
    物理學:新的粒子加速器將探測帶電粒子如何呈現新的身份!粒子加速器是一種功能強大的設備,它使用電磁場以接近光速的速度推進帶電粒子,如電子或質子,然後將它們正面粉碎。在這些高速碰撞中眨眼間發生的事情可以告訴我們一些自然界的基本秘密。
  • 科學家提出新的物理學來解釋亞原子粒子的衰變
    在粒子物理學中,K介子(Kaon,標記為K)是帶有奇異數這一量子數的四種介子的任一種。在夸克模型中,我們知道它們含有一個奇夸克(或其反夸克),及一個上或下夸克的反夸克(或其夸克)。在建立粒子物理學標準模型基礎的過程中,它有著不可或缺的角色,例如強子的夸克模型及夸克混合的理論,這一理論以小林-益川模型而聞名於世,日本物理學家小林誠和益川敏英因此於2008年獲得諾貝爾物理學獎。這一理論描述了頂類型和底類型夸克之間通過W粒子弱相互作用的耦合強度,預測了當時尚未發現的至少三族以上的夸克,並可用以解釋弱相互作用中的電荷宇稱對稱性破缺。
  • 古怪精靈任意子存在爆實錘!這次看到幹涉條紋
    此前法國的研究團隊在微型二維粒子對撞機中發現了任意子存在的跡象,這一神奇的準粒子的發現相當於發現一種新的物質態,即拓撲物態,對凝聚態物理和量子材料有著深遠意義。最近,來自普渡大學的研究團隊發現測量拓撲材料邊界的幹涉現象,被認為可用任意子交換統計來解釋,為任意子的存在再添了有力證據。
  • 窺見物理學家大腦中的「精靈」 什麼是任意子?
    日前,中國科學技術大學潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人在國際上首次通過量子調控的方法,在超冷原子體系中發現了拓撲量子物態中的準粒子——任意子,並證實了任意子的分數統計特性,向著實現拓撲量子計算邁出了重要一步。國際權威學術期刊《自然·物理學》發表了該成果。
  • 實驗證實任意子存在,或為費米子玻色子外另一基本粒子
    在我們生活的三維世界中,有兩類基本粒子:玻色子和費米子。但理論物理學家預測,在二維空間,還有另一種可能:任意子。現在,科學家們有了新的證據,證明任意子存在,並且它們的行為與任何已知的粒子都不一樣。「大約40年前,理論物理學家預言,在一個二維世界裡,可能會有一個新的粒子,具有不同的行為,稱為任意子」,巴黎高等師範學院物理實驗室(Laboratoire de Physique de l』Ecole Normale Supérieure in Paris)的物理學家格溫達爾·費夫(Gwendal Fève)表示。
  • 如果歐洲核子研究中心發現了一種新的粒子,這意味著什麼呢?
    中微子的質量本應是零,但實際上:它的質量很小(比電子輕數百萬倍),而且非零,因此需要一個新的粒子來解釋它們的存在。物質-反物質的不對稱性,不能單獨用已知的粒子和相互作用來解釋,而需要新的物理學——粒子和相互作用——來解釋我們的宇宙給了我們什麼。一組可能導致物質-反物質不對稱的新粒子。
  • 只聽過機器貓的任意門,中國科學家「看」到的任意子是什麼?
    日前,中國科學技術大學潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等人在國際上首次通過量子調控的方法,在超冷原子體系中發現了拓撲量子物態中的準粒子——任意子,並證實了任意子的分數統計特性,向著實現拓撲量子計算邁出了重要一步。國際權威學術期刊《自然·物理學》發表了該成果。究竟什麼是任意子?為什麼它會在自然界中出現?
  • 2020年,十大物理學突破
    或許還存在著第三類粒子——任意子今年4月,《科學》刊登的一項研究報導了物理學家通過創建一個二維的微型粒子對撞機9月,另一個研究團隊在《自然》發表的新研究發現了任意子存在的最有力證據預言了當玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時會呈現出所謂的
  • 2020年,十大物理學突破
    物理學家認為其中一個重要的原因與打破CP對稱性有關。這一對稱性告訴我們,在鏡像世界中,反粒子的行為與粒子一致。過去,物理學家發現夸克和反夸克並不遵循這一對稱性,但從未在輕子身上看到過。今年,T2K實驗的科學家通過測量中微子報告了他們可能首次在輕子中發現了CP破壞的證據,其置信水平達到95%。
  • 科學家首次在超導塊體中發現馬約拉納任意子—新聞—科學網
    新華社北京8月17日電(記者董瑞豐)中國科學家領導的一支研究團隊首次在超導塊體中觀察到了馬約拉納任意子,即馬約拉納零能模,對於未來構建高度穩定的量子計算機具有重要意義
  • 2020年,十大物理學突破-虎嗅網
    物理學家認為其中一個重要的原因與打破CP對稱性有關。這一對稱性告訴我們,在鏡像世界中,反粒子的行為與粒子一致。過去,物理學家發現夸克和反夸克並不遵循這一對稱性,但從未在輕子身上看到過。今年,T2K實驗的科學家通過測量中微子報告了他們可能首次在輕子中發現了CP破壞的證據,其置信水平達到95%。
  • 第三類量子——任意子
    Frank Wilczek, 2004年諾貝爾物理學獎獲得者,現任李政道研究所所長。1970年獲芝加哥大學學士學位,1972年獲普林斯頓大學碩士學位,1974年獲普林斯頓大學博士學位。曾供職於普林斯頓高等研究院和加州大學聖塔芭芭拉分校理論研究所,並擔任麻省理工學院物理系Herman Feshbach講席教授。
  • LHC疑似發現新粒子 宇宙或存在第五種基本力
    佛羅倫斯義大利國家核物理學學會的研究科學家米歇爾•雷迪(Michele Redi)博士在期刊《科學美國人》上寫道,暗示的新粒子或可能在「未來數周甚至數天內」被證實。「如果它是真的存在,我們將在基礎物理學歷史上書寫全新的篇章,」雷迪博士說道。「我們無法想像這項發現將引發多少新發現。我們將很快知道答案。」
  • 馬約拉納任意子首次在超導塊體材料中被發現
    宇宙是由物質組成的,我們身邊的太陽、高山、河流等物質都由名叫費米子的基本粒子組成。每個費米子都有一個與其自身電荷相反、其他屬性相同的反粒子。1937年,義大利理論物理學家馬約拉納預言了自旋為1/2的中性費米子,它不帶電荷,其反粒子是它本身。人們把這種神奇的粒子稱為馬約拉納費米子,並猜測構成物質世界的基本粒子中的中微子有可能是馬約拉納費米子,但目前尚未得到實驗上的證實。