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发现准马约拉纳费米子  

2015-01-17 20:13:30|  分类: 纳米技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1928年,物理学家狄拉克提出了一个相对论性量子力学(量子场论)方程──狄拉克方程,依据这个方程,物理学家们认为,每个粒子都有自己的反粒子,它们的质量相同,但电性相反。当物质和反物质相互碰撞时,它们将会相互湮灭。粒子物理学标准模型中的费米子绝大部分都是狄拉克粒子。1937年,粒子物理学家埃托雷·马约拉纳提出,可能存在着一种其反粒子就是自身的费米子,呈电中性,这种粒子被命名为马约拉纳费米子。中微子也许就是马约拉纳费米子,但实验上还没最终确认,所以,近80年来科学家们一直都没有发现马约拉纳费米子的蛛丝马迹,直到最近。

美国物理学家近期宣布,他们已经找到了这种神秘莫测的粒子,学术文章在线刊登在《科学》(DOI: 10.1126/science.1259327)上。这项发现不仅有助于量子计算机的研制,还有助于物理学家们进一步寻找暗物质粒子。探测到这种神秘莫测的粒子并非易事,为此,实验物理学家阿里·雅达尼和合作伙伴使用一座有两层楼高的望远镜来对准只有几个原子尺度的一段细铁丝。他们将铁丝置于一大块铅上,并将其冷却到接近绝对零度的零下272摄氏度。极低温度在铅块中制造出了超导状态,铁丝产生的磁场和铅块产生的超导性之间的平衡产生了马约拉纳费米子,在铁丝的两端盘旋。

 发现准马约拉纳费米子 - 舜筌 - 微尘舜筌

 图:探测到的马约拉纳费米子。

 雅达尼解释道:“因为铁丝相对足够长,物质和反物质能分居两端,当物质和反物质无法相互‘交流’时,它们可以独立存在,不会彼此湮灭。(因此有助于量子计算机的研制)”借用这座巨大的望远镜,雅达尼小组探测到了来自铁丝两端的中性信号,物理学家们数十年来的研究和计算已经证明,这是马约拉纳费米子的关键信号。雅达尼小组的实验建立在物理学家阿列克谢·基塔耶夫提出的一个理论的基础上。2011年,基塔耶夫预测,某种特殊类型的超导状态将产生准马约拉纳费米子,而且,这种粒子将出现在一根线的两端。

在粒子物理学中,构成物质的粒子叫做费米子,构成力场的粒子叫做玻色子,还有一种导致某些基本粒子获得静止质量的希格斯场的激发态粒子──希格斯玻色子。自从2012年希格斯玻色子被LHC找到后,传统的粒子物理学标准模型就已经走到头了,但事情还没完结,因为组成暗物质的基本粒子还没有探测到,理论中预测的暗物质粒子就是一类大质量基本马约拉纳费米子。因为呈电中性,所以马约拉纳费米子几乎不与周围环境相互作用而很难被探测到,这正是暗物质粒子的特性。排除没有一丝实验证据的超对称,暗物质费米子及相关玻色子是基本粒子家族中唯一尚未实验探测到的。在理论上,科学家们已经找齐了所有基本粒子,乃至找到了基本粒子或物质世界的源头,物理学家陈中源等人于2012年前后发现并证明了包括费米子和玻色子的所有基本粒子都来自真空虚粒子,虚粒子是宇宙中最基础的物质形态。如果在实验上找到了最后的暗物质粒子,那么粒子物理学就大功告成了。

尽管雅达尼小组这次捕捉到的只是准马约拉纳费米子,而不是基本粒子,但这鼓舞了物理学家们;既然准马约拉纳费米子能探测到,那么暗物质粒子这种基本马约拉纳费米子也可以通过类似方法探测到。而且准马约拉纳费米子与基本马约拉纳费米子性质也有很多共通,研究前者可以加深对后者的理解。

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