國際物理學(xué)界80年來一直在追尋的神秘粒子終于“現(xiàn)身”。昨日，學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)在線發(fā)表四位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：首次發(fā)現(xiàn)“手性馬約拉納費(fèi)米子”。它的獨(dú)特之處在于，是費(fèi)米子中唯一的正反同體粒子。

　　這一研究成果由美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆課題組主導(dǎo)，斯坦福大學(xué)張首晟課題組及上?？萍即髮W(xué)寇煦豐課題組等8家單位合作完成。通訊作者何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆，均為華人科學(xué)家。

　　事件

　　反粒子是其本身的神秘粒子終現(xiàn)身

　　粒子世界有兩大家族，費(fèi)米子和玻色子。目前人類已知的所有基本物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料(電子、夸克、中微子)，而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、W和Z玻色子)都是玻色子。

　　較早之前，學(xué)界普遍認(rèn)為，每一種費(fèi)米子都有它的反粒子，且狀態(tài)與粒子本身相反。1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費(fèi)米子，它的反粒子就是它自身，這種費(fèi)米子被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”。

　　不過，馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)一直未被發(fā)現(xiàn)，它和中微子、希格斯玻色子等一起，成為理論早有預(yù)言但長期無法驗(yàn)證的粒子。80年后，終于有一支科研團(tuán)隊(duì)證明了它的存在。

　　張首晟以“天使粒子”為團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)的這種獨(dú)特費(fèi)米子命名。他說，過去學(xué)界認(rèn)為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。“但今天，我們找到了一個(gè)沒有反粒子的粒子，一個(gè)只有天使，沒有魔鬼的完美世界”，張首晟說。

　　影響

　　具重要應(yīng)用價(jià)值 使量子計(jì)算成現(xiàn)實(shí)

　　神秘“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)有怎樣的價(jià)值？

　　“馬約拉納費(fèi)米子是上世紀(jì)三十年代理論上預(yù)言的可能存在的一種基本粒子”，中國科學(xué)院卡弗里理論物理研究所所長張富春表示，馬約拉納費(fèi)米子是與物理大原理一致的，沒有原因不存在，“以后主要的猜測是，中微子也許就是這一類粒子，所以它的發(fā)現(xiàn)很重要”。

　　北京大學(xué)物理學(xué)院一位研究員解釋說，通常的粒子都在某種程度上遵循粒子數(shù)守恒定律，如果要產(chǎn)生必須同時(shí)產(chǎn)生對應(yīng)的反粒子，但是馬約拉納費(fèi)米子可以“憑空”成對產(chǎn)生，因?yàn)樗亲约旱姆戳Ｗ印?/p>

　　“如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)和理論解釋都沒有問題，那應(yīng)該是首次發(fā)現(xiàn)手性馬約拉納費(fèi)米子”，該研究員解釋說，“手性”(chiral)可以大致認(rèn)為是這種粒子只沿一個(gè)方向運(yùn)動，這通常被認(rèn)為有可能用來實(shí)現(xiàn)低能耗的信息傳輸和處理。

　　有國際同行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)馬約拉納費(fèi)米子是繼發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”(希格斯玻色子)、中微子、引力子之后的又一里程碑發(fā)現(xiàn)，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值：讓量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)。

　　關(guān)于量子計(jì)算，前述研究員解釋說，量子計(jì)算機(jī)在很多方面都可以超越現(xiàn)在的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，通常舉的例子是基于量子計(jì)算機(jī)的著名Shor算法，可以迅速破解RSA公鑰密碼，而這一密碼是現(xiàn)在很多網(wǎng)絡(luò)加密通信的基礎(chǔ)，比如https協(xié)議。因此許多國家在發(fā)展量子計(jì)算機(jī)的同時(shí)也在發(fā)展基于量子物理的加密和通信方法。

　　■ 對話

　　加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校王康隆

　　馬約拉納費(fèi)米子像是天使給我們的物質(zhì)

　　昨日，王康隆接受了新京報(bào)記者的獨(dú)家專訪。王康隆說，馬約拉納費(fèi)米子本身就具有浪漫主義色彩。它正反同體，就像是天使給我們的物質(zhì)。他還表示，稱“太極粒子”可能更貼切，“馬約拉納費(fèi)米子正反同體，就和道家的陰陽八卦圖一樣?！?/p>

　　談“天使粒子”

　　正反同體，像道家的陰陽八卦圖

　　新京報(bào)：能簡單介紹下“天使粒子”嗎？

　　王康隆：“天使粒子”原名馬約拉納費(fèi)米子，是以意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)的名字命名的。馬約拉納是個(gè)很傳奇的物理學(xué)家。整整80年前，也就是1937年，年輕的馬約拉納改寫了描述費(fèi)米子的狄拉克方程，發(fā)表了一篇關(guān)于“馬約拉納費(fèi)米子”的論文后，就從人間消失了。

　　從1937年開始，針對“馬約拉納費(fèi)米子”假設(shè)的實(shí)驗(yàn)一直沒有取得突破性進(jìn)展。近10年來，西方有很多學(xué)者在探究馬約拉納費(fèi)米子的存在，甚至連普林斯頓大學(xué)都在做，用了各種不同的方法，但都只得到模棱兩可的結(jié)果。

　　新京報(bào)：馬約拉納費(fèi)米子為什么又被稱為“天使粒子”？

　　王康隆：這個(gè)粒子本身就具有浪漫主義色彩。中國人講，有陰必有陽，很久以來，物理學(xué)界也認(rèn)為，宇宙中每一個(gè)基本費(fèi)米粒子必然有相對應(yīng)的反粒子。但是，馬約拉納費(fèi)米子不一樣，它是正反同體的，就像是天使給我們的物質(zhì)一樣。

　　不過，“天使粒子”這個(gè)名字我也是昨天才聽說，我認(rèn)為稱“太極粒子”比較好，馬約拉納費(fèi)米子正反同體，就像道家的陰陽八卦圖一樣。

　　談實(shí)驗(yàn)

　　歷經(jīng)13年 發(fā)現(xiàn)天使粒子是意外驚喜

　　新京報(bào)：什么時(shí)候開始做這項(xiàng)研究的？

　　王康?。?004年，美國政府和美國半導(dǎo)體公司支持我的團(tuán)隊(duì)做一個(gè)項(xiàng)目，是關(guān)于拓?fù)浣^緣體和量子反常霍爾效應(yīng)的。我們在這個(gè)領(lǐng)域取得了突破，但覺得還不夠，想更進(jìn)一步。大約在七八年前，我們發(fā)現(xiàn)手頭上已經(jīng)有非常豐富的基礎(chǔ)材料了，于是一步一步深入，最終發(fā)現(xiàn)了“天使粒子”。

　　發(fā)現(xiàn)“天使粒子”對我們團(tuán)隊(duì)而言是一個(gè)意外的驚喜。從最初準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有13年之久，我們剛開始時(shí)并沒有說“哇，我們十幾年后要研究天使粒子”，而是在準(zhǔn)備了大量實(shí)驗(yàn)材料，做了大量前期研究后，才一步一步走到這里的。必須得說，研究過程比較順利主要還是材料基礎(chǔ)打得好，沒有材料基礎(chǔ)是不可能的。

　　新京報(bào)：實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)都有哪些成員？

　　王康?。簩?shí)驗(yàn)的主要參與者都是華人。上海科技大學(xué)的寇煦豐和UCLA的何慶林都是我的學(xué)生，張首晟教授帶領(lǐng)的斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)后來加入了我們。

　　實(shí)驗(yàn)非常復(fù)雜，因此參與其中的科研人員不計(jì)其數(shù)。我鼓勵我的學(xué)生積極參與，有時(shí)，我們還需要借用加州大學(xué)戴維斯分校和加州大學(xué)爾灣分校和國家實(shí)驗(yàn)室的儀器，我也會請那里的學(xué)生和研究員幫忙。

　　不過，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與過程、主要實(shí)驗(yàn)操作、撰寫論文這些主要工作，都是我和UCLA團(tuán)隊(duì)完成的。

　　新京報(bào)：實(shí)驗(yàn)結(jié)論有沒有受到過質(zhì)疑？

　　王康?。捍蠹s一年前，我們就在實(shí)驗(yàn)中清晰地測量到馬約拉納費(fèi)米子并撰寫了論文。不過，論文經(jīng)歷了長達(dá)一年的審查才最終發(fā)表。這種審查過程是正常的程序，研究結(jié)果越重要，審查時(shí)間就越長。

　　當(dāng)時(shí)論文送去審查時(shí)，審查人員提出過多種質(zhì)疑。我和團(tuán)隊(duì)每次都會以相應(yīng)實(shí)驗(yàn)來反駁這些質(zhì)疑，證明自己的結(jié)果是對的。這一年中有兩次，我甚至需要寫30多頁的報(bào)告去解釋自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

　　論文發(fā)表后，到目前為止還沒有聽到質(zhì)疑聲，畢竟已經(jīng)和審查人員“打了一年的仗”。

　　談諾獎

　　每天想拿獎不是做學(xué)問的態(tài)度

　　新京報(bào)：會以此沖擊諾貝爾獎嗎？

　　王康隆：我從來沒想過，我是做工程的，做工程的不會想這個(gè)問題，只想乖乖把實(shí)驗(yàn)做好。我認(rèn)為諾貝爾獎是一個(gè)機(jī)遇，每天想拿獎不好，就不是一個(gè)做學(xué)問的態(tài)度了，根本就不是為了做物理，而是為了獎去做的。

　　新京報(bào)：接下來有哪些新的研究計(jì)劃？

　　王康?。喝擞心信畠尚?，但再往細(xì)微處研究，細(xì)胞就沒有男女之分了。粒子是更基礎(chǔ)的物質(zhì)，今天我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)粒子可以既包含陰性又包含陽性。那么，更基礎(chǔ)的物質(zhì)是怎樣的？這個(gè)世界究竟是怎樣的？我想進(jìn)一步探究下去。

　　而且，這次實(shí)驗(yàn)都是在美國完成的，以后的實(shí)驗(yàn)我也想和國內(nèi)合作研究，這樣就更棒了。

　　“天使粒子”80年探尋史

　　1928年 英國物理學(xué)家狄拉克預(yù)測：宇宙中每個(gè)基本粒子都有一個(gè)與其對應(yīng)的反粒子。

　　1932年 美國物理學(xué)家安德森發(fā)現(xiàn)第一個(gè)反物質(zhì)——電子的反粒子。安德森的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了狄拉克的理論，也是人類首次發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的存在。

　　1937年 意大利理論物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)測，在“費(fèi)米子”(包括質(zhì)子、中子、電子、中微子和夸克)中，應(yīng)該有一些粒子，它們本身就是自己的反粒子。即我們今天所稱的“馬約拉納費(fèi)米子”。

　　1938年 馬約拉納做出這一預(yù)測后不久，在一次乘船旅行中神秘失蹤。自那起后的80年，這一神奇粒子成為物理學(xué)家們夢寐以求的探索目標(biāo)。

　　2017年7月21日 學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表四位華人科學(xué)家領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)的最新研究成果：首次發(fā)現(xiàn)“手性馬約拉納費(fèi)米子”。

　　本版采寫/新京報(bào)記者 王碩 池寧喬