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某科學の超電報

自己是自己的反粒子?找到「馬約拉納費米子」存在的確切證據

2017/07/21 |

快訊分類學園都市必備 快訊標籤中微子, 反粒子, 天使粒子, 和 馬約拉納費米子

編按:2017/7/20 加州大學和史丹佛大學的團隊在《科學》(Science)期刊上發表研究,宣布找到馬約拉納費米子(Majorana fermion)存在的確切證據。這個研究的突破為何?和之前的「上帝粒子」希格斯玻色子又有什麼不同?這一切的一切,先讓我們從反粒子開始說起吧。

1928 年,物理學家狄拉克(Paul Dirac)推導出著名的狄拉克方程式,並因此預言反粒子的存在。僅僅四年之後,安德森(Carl Anderson)便從宇宙射線觀測到電子的反粒子(正子)。從此,反粒子便成了基礎物理拼圖裡不可或缺的角色。

保羅‧狄拉克(Paul Dirac)source:Wikimedia

時至今日,我們知道,所有粒子都有自己的反粒子。而且,粒子和其反粒子具有相同質量,卻攜帶相反電荷1。 除此之外,有些粒子比較獨特,它是自己的反粒子。

怎樣的粒子,才能成為自己的反粒子呢?

如前所述,粒子和反粒子擁有的電荷是相反的。所以,必須是電中性的粒子,才可能成為自己的反粒子。舉例來說,不帶電的光子和希格斯玻色子(Higgs boson),就是自己的反粒子。

然而,物理學家根據粒子的性質,將所有粒子分類成「自旋為整數的玻色子」和「自旋為半整數的費米子」。上述的光子和希格斯粒子,均是玻色子。1937 年,物理學家馬約拉納(Ettore Majorana)提出,費米子可以是自己的反粒子 ──現稱為馬約拉納費米子(Majorana Fermion),只不過,至今我們仍未發現其存在。

馬約拉納(Ettore Majorana)source:Wikimedia

在粒子物理標準模型中,唯一有可能是馬約拉納費米子的,只有中微子2。目前已有許多進行中的實驗,意在確認中微子是否真的是自己的反粒子。另一方面,在凝態物理領域,近年陸續有研究團隊發表相關研究,並在實驗中創造出類似馬約拉納費米子的現象──只不過,既有的觀測結果都還有些未竟之處。

昨天(2017年7月20日),加州大學和史丹佛大學的團隊在知名期刊《科學》(Science)上發表文章〈Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure〉,宣佈發現馬約拉納費米子存在的確切證據。他們利用超導體和拓樸絕緣體製作出新的實驗裝置,比先前類似實驗更進一步,並成功觀測到期待的現象,顯示了馬約拉納費米子的存在。

嚴格來說,這個研究觀察到的馬約拉納費米子,並不是真正的馬約拉納費米子,而是一群電子在特別設計下,激發成為準粒子(quasiparticle)而表現出類似馬約拉納費米子的性質。自然界中,究竟存不存在基本的馬約拉納費米子仍是個問號。不過,若這個實驗成果為真,我們倒是可以肯定,能夠在實驗室人為地產生類似馬約拉納費米子的現象──這已經是實驗上的重要成就,而且可能具有許多應用上的潛力;如研究團隊領導者張首晟教授所言,這對未來建造量子電腦,將會有所幫助。

無論如何,這是人類在馬約拉納費米子的探索上,重要的一步,也是實驗方法的創新。就讓我們拭目以待未來的發展與應用吧!


註釋:

  1. 關於反粒子的性質,可以參考阿宅物理第一話第二話
  2. 可參考阿宅物理第三話

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關於作者

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」