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小心求证之前 新粒子如何被大胆假设

小心求证之前 新粒子如何被大胆假设

2021年06月10日 01:12 来源:科技日报参与互动参与互动

  小心求证之前 新粒子如何被大胆假设

  粒子物理系列报道③

  物理学家盖尔曼深信物理规律的对称性是自然界的最普遍法则之一。1961年,他根据对称性思想,把有相近性质的强作用基本粒子分成了一个个族,并认为每个族应有8个成员。

  但是根据当时的实验结果,有一个族的基本粒子只有7个成员,盖尔曼据此大胆预言,还存在一个未被发现的新粒子,第二年果然在实验中找到了这个新的基本粒子。

  据每日科学网站6月1日消息,欧洲科学家团队利用大型强子对撞机(LHC)揭示了宇宙大爆炸第一个0.000001秒内发生的新细节,即第一个微秒内一种特殊的等离子体发生了什么,这一发现引发了科学家的关注。

  大型强子对撞机在探索微观世界构成方面发挥着巨大的功效,也是探索新粒子的重要物理设备。随着粒子物理标准模型的发展,许多被预言的基本粒子得到了验证。但在粒子被实验验证之前,科学家是怎样预言新粒子的呢?

  源于对数学的探索

  20世纪20年代,英国物理学家狄拉克正致力于研究相对论量子力学,他要建立一种对时间和空间坐标来说都是线性相对论性的波动方程。

  受到奥地利物理学家泡利在量子理论中提出的“泡利矩阵”的启发,狄拉克把2行2列的矩阵演变为4行4列矩阵,于是得到了这个以后被称为“狄拉克方程”的电子波动方程。利用这个方程推出的粒子高速运动的许多性质,都在实验中得到了证实,它把量子力学中原本各自独立的重要实验事实统一了起来。

  但狄拉克方程对应的本征态有负能解,是把不可思议的负能态排除出去,还是接受它以保持方程的完美性?狄拉克勇敢地选择了后者,他对负能态的物理图景进行了大胆的设想。

  首先,他革新了“真空”概念,提出了真空是被填满的“负能电子海”的假说。接着,他进一步思考,既然全部填满的负能电子海相当于真空,那么从电子海中跃出一个电子又相当于什么呢?那就会出现一个正能态电子和一个负能态的空穴。他认为激发出来的这个正能态电子就是普通电子,带有一个单位的负电荷,而电子被激发出以后在电子海留下的这个空穴,少了一个负值能量,带一个正值能量。他起初认为这就是“质子”,不过这个奇怪的“质子”,质量却比一般质子要小得多,这是难以想象的。

  狄拉克从对称美的思想出发,指出从数学上来看,这个带正值能量的奇怪的“质子”,其质量必须与电子质量相同,从而大胆提出了“反物质”的假说:这个奇怪的“质子”是真空中的反电子,即正电子,他同时还提出了崭新的电荷共轭对称的概念。

  1932年,美国物理学家安德森在研究宇宙射线时果然发现了狄拉克预言的正电子。物理学界引起了轰动,这启发人们去寻找其他粒子的反粒子。

  人们逐步认识到,各类基本粒子都有相应的反粒子存在,这是自然界的一条普遍规律。

  狄拉克在回顾自己做出的关于反粒子的发现时指出:“这个工作完全得自于对数学的探索。”

  1933年,狄拉克因发现“狄拉克方程”获得诺贝尔物理学奖。

  来自对物理规律的深信

  20世纪50年代,已发现的基本粒子有数百种,对这些粒子进行分类,找出它们性质之间的内在联系,研究这些基本粒子的性质和结构,寻找比基本粒子还要“基本”的组元,成为高能物理学研究的热点。

  在这类研究中,物理学家盖尔曼深信物理规律的对称性是自然界的最普遍法则之一,对称性实际上体现了自然界存在的内部联系和规律的和谐。因此,盖尔曼相信所有的基本粒子都可以根据它们所具有的不同对称性来进行分类。

  1961年,盖尔曼根据对称性思想,把有相近性质的强作用基本粒子分成了一个个族,并认为每个族应有8个成员。

  但是根据当时的实验结果,有一个族的基本粒子只有7个成员,盖尔曼据此大胆预言,还存在一个未被发现的新粒子,第二年(1962年)果然在实验中找到了这个新的基本粒子——η°介子。

  盖尔曼就此一发不可收拾:他预言了另一个被称为Ω-的新粒子的存在。1964年1月,美国布鲁海文实验室的斯米欧在气泡室的成千上万张照片中找到了Ω-粒子衰变时留下的痕迹。盖尔曼的预言终于实现了!

  η°介子和Ω-粒子的相继发现,证实了盖尔曼理论的正确性,从而确立了对称方法在基本粒子研究中的重要地位。

  根据对称理论,存在一个三维的基础表示——在这个族里应该有3个粒子,只能带有分数电荷,即2/3、-1/3、-1/3的单位电荷,然而分数电荷却从来没有被观测到。

  但没有被观测到不等于不存在。经过深入思考,盖尔曼给这3个粒子命名为上夸克、下夸克和奇异夸克,统称为夸克。在其理论中,用这3种夸克及其反粒子就可以解释当时已发现的强子,这就是著名的夸克模型。物理学家设计了很多实验,去寻找这些带有分数电荷数的自由夸克。由于夸克模型的结果与一系列实验事实符合得很好,因此它在随后时间里也得到了发展,其成员已从3个扩充到了现在的6个。

  1969年,盖尔曼因“在基本粒子的分类及相互作用方面的贡献”获诺贝尔物理学奖。

  预言中的粒子仍在找寻中

  粒子世界住着两大家族:以电子、质子为代表的费米子家族和以光子、介子为代表的玻色子家族,它们分别以物理学家费米和玻色的名字命名。一般认为,每一种粒子都有它的反粒子,费米子和它的反粒子就像一对长相一模一样、但脾气完全相反的双胞胎兄弟,两兄弟一见面就“大打出手”,产生的能量甚至会让它们瞬间湮灭。

  1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种费米子的反粒子不但和它自己长相一样,脾气也完全相同。两兄弟站在一起就像照镜子,它们的反粒子就是自己本身,这种费米子被称为“马约拉纳费米子”,又被称为“天使粒子”。在现代物理学家眼里,马约拉纳费米子不仅是一种重要的基本粒子——与超对称理论以及暗物质息息相关,更重要的是,它还能在量子计算领域中发挥巨大作用,是拓扑量子比特的最优载体之一。

  马约拉纳的预言针对的只是不带电荷的费米子,比如中子和中微子。由于科学家们已经发现了中子的反粒子,根据马约拉纳的预言,他们认为,中微子的反粒子可能就是中微子本身。但目前,关于这一论断的实验仍在进行,且困难重重。

  大约10年前,科学家意识到马约拉纳费米子可能在材料物理的实验中被制造出来。于是,一场寻找马约拉纳费米子的竞赛开始了。

  2017年7月21日,《科学》杂志上刊登的一篇论文引起了物理学界的关注。美国加州大学与斯坦福大学的研究人员合作,在一系列特殊实验中宣称发现了马约拉纳费米子。

  然而,此粒子非彼粒子。这次宣布的发现是“手性”马约拉纳费米子,它是一个只能在一维路径上往一个方向跑的、自己是自己反粒子的费米子。这与高能物理学家寻找了80年的马约拉纳费米子很不相同,该马约拉纳费米子是三维的。

  2018年,微软量子团队在《自然》发表重磅研究,称“观察到马约拉纳费米子存在的相当有力的证据”。不过,3年之后。微软就因“技术错误”撤回了论文。

  时至今日,找寻“天使粒子”的工作仍在进行中。科学家观察到自然现象背后的和谐关系和庄严秩序,体会到客观规律的力量,并把揭示这种普遍规律,即科学真理,看作是自己的神圣的任务和最高的精神追求。

【编辑:叶攀】
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