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，人們也開始逐漸習慣了在粒子標準模型中有著特殊地位的希格斯玻色子被稱為“上帝粒子”，這本來是媒體在報道粒子物理學的進展時記者與編輯的一個誤會，如今卻已經成為希格斯玻色子的別名。2017年7月21日，《科學》（Science）雜志上刊載的一篇論文，又讓“天使粒子”一詞進入了人們的視野，難免會讓人感到莫名其妙。這是怎么樣的一個粒子，又因何得名？

在《科學》雜志上刊登的是來自加州大學和斯坦福大學的幾位華裔物理學家合作研究的成果——《絕緣體-超導體結構量子反常霍爾效應的手性馬約拉納費米子模式》（Chiral Majorana Fermion Modes in a Quantum Anomalous Hall Insulator-Superconductor Structure），論文的標題讀起來或許有些拗口，但它所展示的是通過凝聚態物理學技術，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，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）將量子力學的基礎——薛定諤方程進行推廣，使之與狹義相對論相容，提出了“狄拉克方程”。這個方程展示出了極強的預測能力。根據狄拉克方程的描述，每個費米子都應該有一種與之質量相同、電量相反的粒子，被稱為“反粒子”（anti-particle），這個預測第一次讓人意識到了反物質存在的可能。1932年，人們在宇宙射線中發現了帶有正電荷的電子的反粒子：正電子，反物質的概念得到了驗證。

延續狄拉克的論斷，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）在1937年發表論文，提出了可能存在著一種奇異的費米子，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“馬約拉納費米子”（Majorana fermion）。迄今為止80年的時間過去了，盡管很多物理學家相信馬約拉納費米子確實存在，但人們仍然未發現確切的實驗證據。很多人猜測，在宇宙中粒子數量排名第二，無時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發生相互作用，想要對其進行可控的實驗難度極大。

目前在全世界有多個實驗項目都在進行中微子實驗，希望通過實驗觀測發現中微子就是馬約拉納費米子的證據。但因為這類實驗難度極大，人們估計，起碼在10年之內不會有決定性的進展。

那么，是否有可能通過其他方式觀測到馬約拉納費米子的行為？盡管在粒子物理學領域難度極大，但是人們有可能繞開粒子物理學對于真正基礎粒子的探測而選擇利用凝聚態物理學的手段，在某些特殊的實驗條件下，通過人造環境觀測到馬約拉納費米子的一些特征。

斯坦福大學的華裔物理學家張首晟此前提出了實驗設想，利用一些特殊的材料，在特殊的實驗條件下有可能觀測到行為與馬約拉納費米子的行為相似的“準粒子”（quasiparticle）。在此啟發之下，加州大學的幾位華人科學家在一片磁性拓撲絕緣體材料上放置了一片超導體材料，再把實驗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驗條件下，由于拓撲絕緣體材料的特性，電子只能在材料的兩個邊緣無阻礙地單向流動。而后實驗人員再在實驗環境中加入磁場，在磁場的作用下，電子的活動變緩，乃至停止，然后倒流。

這樣的變化并非是以連續舒緩的形式進行，而是以量子式一個一個“臺階”的方式發生。在這種情況下，馬約拉納準粒子就會在超導層中成對地出現，這也是人類首次在這樣的實驗材料中觀測到馬約拉納準粒子的行為。雖然迄今為止人類仍然沒有在真正的粒子物理學觀測中發現馬約拉納費米子，但是在這樣的特殊實驗條件下，可以說觀測到了完全符合理論預測的馬約拉納費米子的行為。因為馬約拉納費米子是自身的反粒子，它只算是“半個”量子，因此在量子反常霍爾效應的觀測中，人們可以看到“半個臺階”，這正是馬約拉納費米子在理論上最重要的特征之一。而觀測到這樣的現象，也是凝聚態物理學領域的一個重要突破。

2004年諾貝爾物理學獎得主、麻省理工學院的理論物理學家弗蘭克·維爾切克（Franck Wilczek）這樣評價這項實驗結果：“它非常清晰地觀測到了一些新東西，在基礎層面它不是非常地令人吃驚，因為物理學家們猜測在這樣的實驗材料中可能觀測到馬約拉納費米子出現已經有很長的時間，但是他們把幾個實驗因素前所未有地結合了起來，然后使這種粒子以一種無可置疑的清晰的方式被觀測到，這是一個真正的里程碑。”

雖然“準粒子”并非是一種真正的基礎粒子，而是實驗材料在某種特殊條件下被激發產生出的一種類似于基礎粒子的行為方式，但是對于馬約拉納費米子的實驗觀測有可能在未來對量子計算機的研究有重要意義。量子計算機的基礎正是在于微觀粒子的“量子態”，這種特殊又令人迷惑的狀態非常容易受到周圍環境的干擾而被破壞，這也是目前量子計算機研究最大的障礙之一。為了保證不受周圍環境噪聲的影響，目前所有的量子計算機都被設置在接近絕對零度的極低溫下進行工作。而馬約拉納費米子，因為其就是自身的反粒子，每個粒子相當于“半個”量子，因此，一個“量子比特”（qubit）可以被存儲在兩個相隔較遠的馬約拉納費米子中，只有這兩個粒子同時受到破壞，其中所存儲的信息才會丟失。在理論上利用馬約拉納費米子建造的量子計算機更不容易受到周圍環境的影響，工作會更加穩定。

張首晟在接受采訪時，把這個被觀測到的馬約拉納費米子現象稱為“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），這本書中的情節包括有人試圖利用反物質炸彈炸毀梵蒂岡。而根據馬約拉納費米子的性質，物質與反物質屬于同體，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網站的報道）