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实验证实任意子存在,或为费米子玻色子外另一基本粒子

2020-09-05 14:18
电动车公社
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彩色扫描电子显微镜捕捉到了一台任意子对撞机的碰撞证据,证明任意子存在。准粒子沿着由电极(黄色)确定的路径移动。两个任意子(图示蓝色球体)在中间碰撞,并分别从旁边退出。- M. Kumar

撰文丨Emily Conover

翻译丨理工科人

有时,二维比三维更好。

在我们生活的三维世界中,有两类基本粒子:玻色子和费米子。但理论物理学家预测,在二维空间,还有另一种可能:任意子。现在,科学家们有了新的证据,证明任意子存在,并且它们的行为与任何已知的粒子都不一样。物理学家在4月10日的《Science》杂志上报道说,研究人员使用一个小型的“对撞机”,让两个疑似的任意子相互碰撞,来研究确认其粒子身份。

所有已知的基本粒子都可以分为费米子和玻色子。例如,电子是费米子。玻色子包括光子(光的粒子)和著名的希格斯玻色子(解释粒子如何获得质量)。这两类粒子的行为是不同的:费米子是孤立的,相互避开,而玻色子可以聚集在一起。

“大约40年前,理论物理学家预言,在一个二维世界里,可能会有一个新的粒子,具有不同的行为,称为任意子”,巴黎高等师范学院物理实验室(Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure in Paris)的物理学家格温达尔·费夫(Gwendal Fève)表示。

任意子介于玻色子和费米子之间,不能完全相互避开或聚集。由于我们不生活在二维空间中,费夫和他的同事们在二维材料中寻找任意子。在那里,任何一个粒子都可以表现为“准粒子”,即固体材料中行为类似于粒子的扰动。当一群电子模仿另一种粒子时,就可以形成这样的准粒子,有点像鱼群聚集起来运动,仿佛一个奇怪的、发光的生物,来迷惑捕食者。

科学家们已经找到了在强磁场中二维材料中存在任意子的证据。这些材料中的准粒子的电荷是电子电荷的一小部分,正如对任意子的预言那样。但是科学家们还没有证实准粒子完全符合任意子的条件:研究人员还没有看到预期的介于玻色子和费米子之间的群聚行为。

在新的实验中,任意子都是在一个二维平面内运动的,这个平面夹在一个层状材料中。研究人员准备了两个任意子流,引导它们在中间碰撞,然后沿着两条路径中的一条退出。

如果研究人员碰撞的是不合群的费米子,那么粒子在碰撞后就会各行其道。而玻色子则倾向于在同一个出口处聚集。在实验中,研究人员看到了聚集现象,但是聚集的数量,以及随着科学家改变任意子被送入对撞机的速度而发生的变化,与理论上对任意子的预测是一致的。

“这很有说服力”,德国莱比锡大学(University of Leipzig)的理论物理学家伯纳德·罗森奥(Bernd Rosenow)说,“这是一个非常谨慎的实验,也是一个非常艰难的实验。”2016年,他和同事在《Physical Review Letters》的一项研究中提出了这样一个实验。

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David S. Hall, Amherst College, 使用Niles Johnson编写的代码

物理学家预测,当任意子交换位置或相互循环(loop around one another)时,准粒子的量子态就会改变。微软量子部门和加州大学圣巴巴拉分校的物理学家切坦·纳亚克(Chetan Nayak)说,识别这个被称为编织(braiding)的过程,将更充分地证明任意子的存在。

编织某些类型的任意子可能是构建更好量子计算机的有用技术。当前的量子计算机极易在计算中出错。编织过的任意子在存储信息上可以更好地不受错误干扰,像一个整齐的辫子,使不受约束的头发有序排列。

尽管这项新的研究还没有阐明编织的原理,但它使科学家们离理解任意子更近了一步。“这是一个美丽的实验。纳亚克说:“这绝对超越了过去的做法。

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