实验证实任意子存在，为费米子玻色子外另一基本粒子

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。

 

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。

审核编辑：符乾江