實(shí)驗(yàn)證實(shí)任意子存在，為費(fèi)米子玻色子外另一基本粒子

彩色掃描電子顯微鏡捕捉到了一臺任意子對撞機(jī)的碰撞證據(jù)，證明任意子存在。準(zhǔn)粒子沿著由電極（黃色）確定的路徑移動。兩個任意子（圖示藍(lán)色球體）在中間碰撞，并分別從旁邊退出。－ M． Kumar

撰文丨Emily Conover

翻譯丨理工科人

有時，二維比三維更好。

在我們生活的三維世界中，有兩類基本粒子：玻色子和費(fèi)米子。但理論物理學(xué)家預(yù)測，在二維空間，還有另一種可能：任意子?，F(xiàn)在，科學(xué)家們有了新的證據(jù)，證明任意子存在，并且它們的行為與任何已知的粒子都不一樣。物理學(xué)家在4月10日的《Science》雜志上報(bào)道說，研究人員使用一個小型的“對撞機(jī)”，讓兩個疑似的任意子相互碰撞，來研究確認(rèn)其粒子身份。

所有已知的基本粒子都可以分為費(fèi)米子和玻色子。例如，電子是費(fèi)米子。玻色子包括光子（光的粒子）和著名的希格斯玻色子（解釋粒子如何獲得質(zhì)量）。這兩類粒子的行為是不同的：費(fèi)米子是孤立的，相互避開，而玻色子可以聚集在一起。

“大約40年前，理論物理學(xué)家預(yù)言，在一個二維世界里，可能會有一個新的粒子，具有不同的行為，稱為任意子”，巴黎高等師范學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)室（Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure in Paris）的物理學(xué)家格溫達(dá)爾·費(fèi)夫（Gwendal Fève）表示。

任意子介于玻色子和費(fèi)米子之間，不能完全相互避開或聚集。由于我們不生活在二維空間中，費(fèi)夫和他的同事們在二維材料中尋找任意子。在那里，任何一個粒子都可以表現(xiàn)為“準(zhǔn)粒子”，即固體材料中行為類似于粒子的擾動。當(dāng)一群電子模仿另一種粒子時，就可以形成這樣的準(zhǔn)粒子，有點(diǎn)像魚群聚集起來運(yùn)動，仿佛一個奇怪的、發(fā)光的生物，來迷惑捕食者。

科學(xué)家們已經(jīng)找到了在強(qiáng)磁場中二維材料中存在任意子的證據(jù)。這些材料中的準(zhǔn)粒子的電荷是電子電荷的一小部分，正如對任意子的預(yù)言那樣。但是科學(xué)家們還沒有證實(shí)準(zhǔn)粒子完全符合任意子的條件：研究人員還沒有看到預(yù)期的介于玻色子和費(fèi)米子之間的群聚行為。

在新的實(shí)驗(yàn)中，任意子都是在一個二維平面內(nèi)運(yùn)動的，這個平面夾在一個層狀材料中。研究人員準(zhǔn)備了兩個任意子流，引導(dǎo)它們在中間碰撞，然后沿著兩條路徑中的一條退出。

如果研究人員碰撞的是不合群的費(fèi)米子，那么粒子在碰撞后就會各行其道。而玻色子則傾向于在同一個出口處聚集。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員看到了聚集現(xiàn)象，但是聚集的數(shù)量，以及隨著科學(xué)家改變?nèi)我庾颖凰腿雽ψ矙C(jī)的速度而發(fā)生的變化，與理論上對任意子的預(yù)測是一致的。

“這很有說服力”，德國萊比錫大學(xué)（University of Leipzig）的理論物理學(xué)家伯納德·羅森奧（Bernd Rosenow）說，“這是一個非常謹(jǐn)慎的實(shí)驗(yàn)，也是一個非常艱難的實(shí)驗(yàn)?！?016年，他和同事在《Physical Review Letters》的一項(xiàng)研究中提出了這樣一個實(shí)驗(yàn)。

David S． Hall， Amherst College， 使用Niles Johnson編寫的代碼

物理學(xué)家預(yù)測，當(dāng)任意子交換位置或相互循環(huán)（loop around one another）時，準(zhǔn)粒子的量子態(tài)就會改變。微軟量子部門和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家切坦·納亞克（Chetan Nayak）說，識別這個被稱為編織（braiding）的過程，將更充分地證明任意子的存在。

編織某些類型的任意子可能是構(gòu)建更好量子計(jì)算機(jī)的有用技術(shù)。當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)極易在計(jì)算中出錯。編織過的任意子在存儲信息上可以更好地不受錯誤干擾，像一個整齊的辮子，使不受約束的頭發(fā)有序排列。

盡管這項(xiàng)新的研究還沒有闡明編織的原理，但它使科學(xué)家們離理解任意子更近了一步?！斑@是一個美麗的實(shí)驗(yàn)。納亞克說：“這絕對超越了過去的做法。