發現粒子王國的第三類粒子，既不是費米子，也不是玻色子
2023-04-01 03:12:31 1
從以光速傳播的光子，到幽靈般的中微子，到構成一切的夸克和電子，在我們生活的三維世界中，所有基本粒子都可以分為兩類:費米子和玻色子。然而，理論物理學家預測，在二維世界中，在粒子王國中還有第三種粒子，任何一種。現在，一組法國研究人員第一次發現了第一個實驗證據，通過實驗室建造的微型對撞機證明了這種粒子的存在。
在介紹任何子之前，讓我們先看看費米子和玻色子。
在粒子物理的標準模型中，費米子指的是自旋為半整數(如1/2、3/2等)的粒子。)，其中包括夸克、電子等。玻色子是自旋整數(0，1，2等)的粒子。)，包括含有光子、膠子、希格斯玻色子等的粒子。
在粒子世界中，費米子就像患有「社交恐懼症」的病人——兩個費米子永遠不會佔據同一個量子態。以電子為例，電子被迫進入原子周圍的不同原子層。這個特性導致原子中的大部分空，也導致物質世界中如此多不同的元素。
另一方面，玻色子是粒子世界中的「社會粒子」。他們渴望聚在一起，共享同一個量子態。以光子為例，它們可以相互穿過，讓光不受阻礙地傳播，而不是四處散射。費米子和玻色子都是標準模型描述的三維系統中的粒子。
大約40年前，理論物理學家預測在二維世界中可能會有一些新的粒子，包括任何一種粒子。
二維世界和三維世界本質上是不同的。如果在一個三維系統中有兩個無法區分的粒子，並且一個粒子圍繞另一個旋轉，那麼在一個循環之後，該粒子將返回到它的起始位置。從拓撲學的觀點來看，這個循環可以簡化為一個點，就好像粒子根本沒有運動過一樣。
在三維系統中，一個周期可以收縮到一個點。|照片參考來源:5W Infographics/QuantaMagazine
然而，在二維系統中，這個循環不能收縮到不破壞其拓撲的程度。因此，二維空可以容納這樣一種奇怪的粒子:一個粒子圍繞另一個粒子的循環並不等同於粒子一直停留在同一位置。
○在二維系統中，周期不能收縮到一點。|照片參考來源:5W Infographics/QuantaMagazine
任何人都是第三種粒子的一個例子。根據預測，任何粒子都在費米子和玻色子之間。他們既不會完全避開對方，也不會完全聚在一起。它們攜帶的電荷比單個電子少。
物理學家可以從拓撲學的角度推斷出任意子的存在，但是沒有直接的實驗證據來證明這樣一個系統的存在。因為我們生活在三維空的範圍內，如果我們想找到任何一個子，我們可以利用二維物質層在強磁場下的效應。
20世紀80年代早期，科學家在實驗中發現，電子冷卻到絕對零度時，在具有強磁場的二維材料中表現出一種奇怪的特性——電子聚集在一起形成準粒子，其電荷僅為單位電荷的一小部分。這就是所謂的「分數量子霍爾效應」。
1984年，諾貝爾物理學獎獲得者弗蘭克·維爾澤克和另外兩位作者發表了一篇著名的論文，指出這些準粒子是任意粒子。雖然這篇論文有深遠的影響，但物理學家無法證實這些準粒子是否完全滿足任何子的條件:費米子和玻色子之間的預期聚集行為無法從實驗中看到。
2016年，來自萊比錫大學、哈佛大學和蘇黎世聯邦理工學院的三名物理學家描述了一種用於發現任何粒子的實驗裝置。這是一個二維微型粒子對撞機，小到必須用電子顯微鏡來觀察對撞機內部的運動。
○實驗中使用的樣本之一。|照片來源:Manohar Kumar
在最新發表的研究中，物理學家巴託洛梅、格夫和其他人在實驗室裡創造了這樣一個對撞機。對撞機由夾在分層材料之間的二維平面組成，任何原子在其中運動。研究人員創建了兩個任意的子流，讓這兩個粒子流在中心碰撞，然後沿著兩條路徑中的一條離開。
研究人員用這種裝置來觀察兩個無法區分的電子碰撞的結果。如果費米子在這個裝置中碰撞，這些粒子將會分道揚鑣，並在碰撞後沿著不同的路徑離開。如果碰撞玻色子發生，它們將一起出現在同一個出口。
○從微型對撞機獲得的任何粒子存在的證據(如彩色掃描電子顯微鏡圖像所示)。任何人沿著電極決定的路徑移動(黃色)。兩個任意子(藍色球體)在中心碰撞，從兩邊退出。|照片來源:Manohar Kumar
通過測量對撞機內部的電流波動，研究人員觀察到輕微的聚集，這比如果它是玻色子時要少。這與理論上對anyson行為的預測完全一致，表明科學家已經找到了直接證據來證明anyson在實驗室中的存在。
這是一個裡程碑式的發現。除了理論上的意義，任何一個子也可能為更好的量子計算機的構建帶來更好的技術。當丹維爾·齊克第一次用「任何一個」這個詞來描述這種粒子時，他想表達的是，這些粒子可能會發生任何事情，它們不完全像費米子或玻色子。我希望它能在不久的將來給我們帶來更多的驚喜。
參考來源:
https://science.sciencemag.org/content/368/6487/173
http://www . quantamagazine . org/milestone-evidence-for-any ons-a-third-kingdom-of-particles-20200512/
http://www . science news . org/article/collections-show-new-evidence-any on-quasi particles-existence
https://phys . org/news/2020-0any on-evidence-tiny-collector . html
資料來源:馬諾哈爾·庫馬爾
