华裔学者发现正反同体“天使粒子” 破解80年难题

埃托雷·马约拉纳。

　　新京报制图/陈冬

　　国际物理学界80年来一直在追寻的神秘粒子终于“现身”。昨日，学术期刊《科学》（Science）在线发表四位华人科学家领衔的科研团队的最新研究成果：首次发现“手性马约拉纳费米子”。它的独特之处在于，是费米子中唯一的正反同体粒子。

　　这一研究成果由美国加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆课题组主导，斯坦福大学张首晟课题组及上海科技大学寇煦丰课题组等8家单位合作完成。通讯作者何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆，均为华人科学家。

　　事件

　　反粒子是其本身的神秘粒子终现身

　　粒子世界有两大家族，费米子和玻色子。目前人类已知的所有基本物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料（电子、夸克、中微子），而传递作用力的粒子（光子、介子、胶子、W和Z玻色子）都是玻色子。

　　较早之前，学界普遍认为，每一种费米子都有它的反粒子，且状态与粒子本身相反。1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）预言，自然界中可能存在一类特殊的费米子，它的反粒子就是它自身，这种费米子被称为“马约拉纳费米子”。

　　不过，马约拉纳费米子存在的证据一直未被发现，它和中微子、希格斯玻色子等一起，成为理论早有预言但长期无法验证的粒子。80年后，终于有一支科研团队证明了它的存在。

　　张首晟以“天使粒子”为团队新发现的这种独特费米子命名。他说，过去学界认为有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。“但今天，我们找到了一个没有反粒子的粒子，一个只有天使，没有魔鬼的完美世界”，张首晟说。

　　影响

　　具重要应用价值 使量子计算成现实

　　神秘“天使粒子”的发现有怎样的价值？

　　“马约拉纳费米子是上世纪三十年代理论上预言的可能存在的一种基本粒子”，中国科学院卡弗里理论物理研究所所长张富春表示，马约拉纳费米子是与物理大原理一致的，没有原因不存在，“以后主要的猜测是，中微子也许就是这一类粒子，所以它的发现很重要”。

　　北京大学物理学院一位研究员解释说，通常的粒子都在某种程度上遵循粒子数守恒定律，如果要产生必须同时产生对应的反粒子，但是马约拉纳费米子可以“凭空”成对产生，因为它是自己的反粒子。

　　“如果这个实验和理论解释都没有问题，那应该是首次发现手性马约拉纳费米子”，该研究员解释说，“手性”（chiral）可以大致认为是这种粒子只沿一个方向运动，这通常被认为有可能用来实现低能耗的信息传输和处理。

　　有国际同行评价，发现马约拉纳费米子是继发现“上帝粒子”（希格斯玻色子）、中微子、引力子之后的又一里程碑发现，不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值：让量子计算成为现实。

　　关于量子计算，前述研究员解释说，量子计算机在很多方面都可以超越现在的经典计算机，通常举的例子是基于量子计算机的著名Shor算法，可以迅速破解RSA公钥密码，而这一密码是现在很多网络加密通信的基础，比如https协议。因此许多国家在发展量子计算机的同时也在发展基于量子物理的加密和通信方法。

　　■ 对话

　　加利福尼亚大学洛杉矶分校王康隆

　　马约拉纳费米子像是天使给我们的物质

　　昨日，王康隆接受了新京报记者的独家专访。王康隆说，马约拉纳费米子本身就具有浪漫主义色彩。它正反同体，就像是天使给我们的物质。他还表示，称“太极粒子”可能更贴切，“马约拉纳费米子正反同体，就和道家的阴阳八卦图一样。”

　　谈“天使粒子”

　　正反同体，像道家的阴阳八卦图

　　新京报：能简单介绍下“天使粒子”吗？

　　王康隆：“天使粒子”原名马约拉纳费米子，是以意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）的名字命名的。马约拉纳是个很传奇的物理学家。整整80年前，也就是1937年，年轻的马约拉纳改写了描述费米子的狄拉克方程，发表了一篇关于“马约拉纳费米子”的论文后，就从人间消失了。

　　从1937年开始，针对“马约拉纳费米子”假设的实验一直没有取得突破性进展。近10年来，西方有很多学者在探究马约拉纳费米子的存在，甚至连普林斯顿大学都在做，用了各种不同的方法，但都只得到模棱两可的结果。

　　新京报：马约拉纳费米子为什么又被称为“天使粒子”？

　　王康隆：这个粒子本身就具有浪漫主义色彩。中国人讲，有阴必有阳，很久以来，物理学界也认为，宇宙中每一个基本费米粒子必然有相对应的反粒子。但是，马约拉纳费米子不一样，它是正反同体的，就像是天使给我们的物质一样。

　　不过，“天使粒子”这个名字我也是昨天才听说，我认为称“太极粒子”比较好，马约拉纳费米子正反同体，就像道家的阴阳八卦图一样。

　　谈实验

　　历经13年 发现天使粒子是意外惊喜

　　新京报：什么时候开始做这项研究的？

　　王康隆：2004年，美国政府和美国半导体公司支持我的团队做一个项目，是关于拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应的。我们在这个领域取得了突破，但觉得还不够，想更进一步。大约在七八年前，我们发现手头上已经有非常丰富的基础材料了，于是一步一步深入，最终发现了“天使粒子”。

　　发现“天使粒子”对我们团队而言是一个意外的惊喜。从最初准备实验到现在已经有13年之久，我们刚开始时并没有说“哇，我们十几年后要研究天使粒子”，而是在准备了大量实验材料，做了大量前期研究后，才一步一步走到这里的。必须得说，研究过程比较顺利主要还是材料基础打得好，没有材料基础是不可能的。

　　新京报：实验团队都有哪些成员？

　　王康隆：实验的主要参与者都是华人。上海科技大学的寇煦丰和UCLA的何庆林都是我的学生，张首晟教授带领的斯坦福大学研究团队后来加入了我们。

　　实验非常复杂，因此参与其中的科研人员不计其数。我鼓励我的学生积极参与，有时，我们还需要借用加州大学戴维斯分校和加州大学尔湾分校和国家实验室的仪器，我也会请那里的学生和研究员帮忙。

　　不过，设计实验目标与过程、主要实验操作、撰写论文这些主要工作，都是我和UCLA团队完成的。

　　新京报：实验结论有没有受到过质疑？

　　王康隆：大约一年前，我们就在实验中清晰地测量到马约拉纳费米子并撰写了论文。不过，论文经历了长达一年的审查才最终发表。这种审查过程是正常的程序，研究结果越重要，审查时间就越长。

　　当时论文送去审查时，审查人员提出过多种质疑。我和团队每次都会以相应实验来反驳这些质疑，证明自己的结果是对的。这一年中有两次，我甚至需要写30多页的报告去解释自己的实验内容。

　　论文发表后，到目前为止还没有听到质疑声，毕竟已经和审查人员“打了一年的仗”。

　　谈诺奖

　　每天想拿奖不是做学问的态度

　　新京报：会以此冲击诺贝尔奖吗？

　　王康隆：我从来没想过，我是做工程的，做工程的不会想这个问题，只想乖乖把实验做好。我认为诺贝尔奖是一个机遇，每天想拿奖不好，就不是一个做学问的态度了，根本就不是为了做物理，而是为了奖去做的。

　　新京报：接下来有哪些新的研究计划？

　　王康隆：人有男女两性，但再往细微处研究，细胞就没有男女之分了。粒子是更基础的物质，今天我们发现一个粒子可以既包含阴性又包含阳性。那么，更基础的物质是怎样的？这个世界究竟是怎样的？我想进一步探究下去。

　　而且，这次实验都是在美国完成的，以后的实验我也想和国内合作研究，这样就更棒了。

　　“天使粒子”80年探寻史

　　1928年 英国物理学家狄拉克预测：宇宙中每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子。

　　1932年 美国物理学家安德森发现第一个反物质——电子的反粒子。安德森的实验验证了狄拉克的理论,也是人类首次发现反物质的存在。

　　1937年 意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳预测，在“费米子”（包括质子、中子、电子、中微子和夸克）中，应该有一些粒子，它们本身就是自己的反粒子。即我们今天所称的“马约拉纳费米子”。

　　1938年 马约拉纳做出这一预测后不久，在一次乘船旅行中神秘失踪。自那起后的80年，这一神奇粒子成为物理学家们梦寐以求的探索目标。

　　2017年7月21日 学术期刊《科学》发表四位华人科学家领衔的科研团队的最新研究成果：首次发现“手性马约拉纳费米子”。

　　本版采写/新京报记者 王硕 池宁乔