手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰

今日头条 · 2019-04-04


埃托雷马约拉纳

撰文 | 季向东 韩 柯(上海交通大学)

责编 | 黄俊如

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1. 八十年前的预言与奥妙失踪

1938年3月25日,年仅32岁的意大利理论物理学家、那不勒斯大学教授埃托雷马约拉纳留下一封遗书后奥妙失踪。有人说他自杀了,有人说他被劫持并被他杀,有人说他进了修道院,有人说他成了乞丐,有人说他在南美的阿根廷或委内瑞拉隐居终身,总归,至今下落不明。

马约拉纳曾师从闻名的物理学大师费米(也是李政道先生在芝加哥的博士导师)。费米以为他的这个学生是个超一流的物理学家,堪与伽利略和牛顿比肩。在今后的研讨生计里,费米遇到最困难的问题时常常感叹,“假如埃托雷在这里就好了!”

马约拉纳作为理论物理学家仅宣布过9篇文章,其间大部分发在1931和1932年。在1932-1933年间,他研讨相对论量子力学,对1928年狄拉克发现的电子根本运动方程所预示的电子与其反粒子“正电子”(1932年发现笑料炖包袱)之间的不对称感到不满意(后来理论物理展开的量子场论在某种程度上弥补了这一缺点)。他发现狄拉克方程其实也答应一种粒子与反粒子彻底相同的一种解,并以为泡利在1930年主张的“中微子”或许便是这种粒子。但他没有当即宣布这个成果,而且尔后四年间再也没有宣布任何文章。直到1937年应聘那不勒斯大学理论教授的方位,才在朋友的敦促下宣布了他终身中的终究一篇文章[1],然后奥妙失踪。

马约拉纳在这篇文章中预言了一种或许的天然界组成的根本单元,现在习气称为马约拉纳粒子。这是一种中性无任何(电)荷的、满意相对论量子力学、自旋1/2的粒子,能够看作是狄拉克粒子的一半。迄今为止,试验上也没有这种粒子存在的切当依据。可是,证明这种粒子的切当存在,对咱们了解大天然的终究奥妙或许是一把要害的钥匙。因而,试验上找到根本的马约拉纳粒子成为当今人类最重要的根底科学问题之一,当选《科学》杂志在本世纪初列出的人类现阶段最重要的125个科学问题 [2]。

2. 根底物理学的天使

根本粒子是组成天然界的最根本单元。它们能够分为两大类,玻色子和费米子。玻色子的自旋(野性淫魔类似于陀螺绕本身的旋转)都是一个根本单位(h-bar)的整数倍。如2012年发现的“希格斯”粒子自旋为零,而光的根本单元“光子”自旋为1,引力波的根本单元“引力子”自旋为2,他们都是“玻色子”。而费米子的自旋是这个根本单位的半整手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰数倍,如电子与中微子的自旋都是1/2。根本粒子也都有相应的反粒子。电子的反粒子是正电子,而光子的反粒子却是它本身。

试验阅历好像通知咱们,费米子有一个风趣的规则:他们都带有某种“荷”把粒子与反粒子区别开来,比方正反电子的 “电荷” 是相反的。电中性、自旋为1/2的中子尽管不是根本粒子,但也有自己的反粒子,称为 “反中子”,是1956年在美国加州伯克利试验室发现的。如这个规则彻底正确,那么能够断语马约拉纳粒子——那种中性的、粒子与反粒子不行分辩的费米子,在实际世界里并不存在。

可是,假如组成天然界的根本单元中有马约拉纳粒子,那癍痧么它将协助翻开一扇通往宝库的大门,困扰咱们的一些重要疑团能够方便的处理。

首要的疑团是实际世界中物质与反物质的不对称。在世界的前期,已知根本的物理学规则要求物质与反物质是彻底对称的,也即数目平等。可是在咱们今日的世界里,看到的都是物质,而反物质简直绝迹。比方,事实上也从没看到过反物质组成的恒星或许星系。这种不对称是怎么构成的呢?

一种比较天然的解说是:世界中存在马约拉纳粒子,它不区别物质与反物质,通过它们特别的衰变机制,能够发作一个有细小不对称、物质比反物襄阳天气预报30天质多了数十亿分之一的世界;在世界的冷却进程中,物质与反物质通过一次次的“大火并”,反物质被消除怡尽,而组成咱们今日物质世界的是大火并之后极少量的幸存者。

另一个疑团是关于电子与其它根本粒子的质量为什么如此的轻。关于质量的来历,现在以为是和最新发现的根本粒子希格斯有关(因为它的重要性而被诺奖得主莱德曼称为“天主粒子”)。但天主粒子的质量是哪里来的呢?

在相对论量子理论里,微观世界的量子涨落——一种量子世界独有的“虚拟或许性”——都会对希格斯的质量发作奉献。而这些涨落越是微观,则其奉献越是巨大。因而,依据已知的物理学规则,因为量子现象,电子这样的根本粒子的质量应该比现在测量到的数值大十几个数量级。果真如此,那咱们的世界就彻底不同了。



在超对称世界里,每个已知的根本粒子都有一个对应的质量很大的“影子同伴”

假如答应马约拉纳粒子存在,上面这个问题也能很轻松处理。天然界或许会通过这种粒子在费米子与玻色子之间建立起一种奇特的“超对称”——每个已知的费米子(玻色子)都有一个超对称“影子同伴”玻色子(费米子)。

比方,光子是玻色子,它或许有一个相应的双胞胎姐姐“超对称光子”,一种电中性的马约拉纳粒子。在超对称世界里,光子的微观量子涨落被超对称光子完美抵消。但在实际世界里,超对称是不完美的,一切的超对称同伴因其质量较重还未被试验发现。因而量子涨落对根本粒子质量的奉献能够通过这种不完美的超对称来进行控制。

还有便是暗物质!地理和世界学的研讨发现,咱们所知道的根本粒子只占有世界总能量的5%。世界中27%的能量是一种不知道的新物质,被称为暗物质。咱们的银河系就被包围在一个巨大的暗物质晕中。暗物质很或许是一种全新的、电中性的根本粒子 [3]。粒子理论家倾向于承认暗物质很或许是一种中性的费米子,也即马约拉纳粒子。假如的确如此,那马约拉纳粒子就成了物质世界真实的统治者。

3. 中微子是马约拉纳粒子吗?

前面说到,马约拉纳理论上发现中性费米子的时分,以为中微子很或许便是这种粒子。

关于中微子的假说最早在1930年由泡利提出,他以为在弱相互效果进程中或许发作一种电中性的粒子。中微子于1956年在试验中初次被发现,后来试验证明手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰其有三种不同的类型。中微子是根本粒子宗族的一个重要成员。

但中微子是否马约拉纳粒子至今试验上没有结论

中微子作为自旋1/2的粒子,它在质心运动时随同着滚动。试验上看到过中微子的滚动方向和运动方向王一碗小笨笨构成左手定则,称为左手中微子。但科学家历来也没看到过左手反中微子。因为左手反中微子好像除了能给中微子供给质量之外,不参与任何其它相互效果,能够说是别无用途。已然看不到,理论上又不必定需求,是否标明它就不存在呢?当然不能。

早在1939年,马约拉纳失踪后的第二年,美国理论物理学家、哈佛大学教授Wendell Furry提出,研证中微子是否马约拉纳的一个办法是寻觅一类原子核的“无中微子双贝塔衰变”[4]。

原子核的“贝塔衰变”是一种中子转变为质子或质子转变为中子的弱相互效果进程;天然界的不同元素之间通过这种效果能够架起桥梁。在一般的贝塔衰变中,一个电子随同一个中微子开释出来。

有一种特别原子核,一次贝塔衰变因为能量原因是不能发作的。比方锗76有32个质子44个中子,一次贝塔衰变需求把它变成砷76(33个质子43个中子)。但这在能量上是不答应的,因为砷76比锗76能量要高。不过,锗76能够“一同”阅历两次贝塔衰变,成为硒76(34个质子42个中子)。这是物理上答应的,被称为“双贝塔衰变”,在此进程中随同开释两个电子和两个中微子。可是,这种衰变的或许性极小,需求的时刻大于1018年,比世界的年纪还长了1亿倍。

Furry 发现,假如中微子是马约拉纳粒子,双贝塔衰变的原子核就或许答应一种新的衰变形式:无中微子双贝塔衰变,其进程中只发作两个电子,两个中微子压根不会呈现。因为兰州三爱整形医院不带任何荷,这样两个马约拉纳粒子在衰变中仅仅标志性地呈现了极短的瞬间,然后就奥妙地消失在真空里。



正常的双贝塔衰变发作两个反中微子(左图)。但假如中微子是马约拉纳粒子,它有或许不在衰变产物中呈现,这便是科学家们手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰尽力寻觅的“无中微子双贝塔衰变”(右图)。

因而,极具挖苦含义的是,试验上证明马约拉纳粒子的存在却是通过它的不曾呈现!因为中微子试验上极难勘探,证明它存在但没呈现的难度更上一层楼。

4. 勘探无中微子双贝塔衰变:魔鬼般的应战

Furry 的主张很快引起了科学家的激烈爱好。吴健雄先生也从前寻觅过钙4帅帅哥8同位素的无中微子双贝塔衰变。可是跟着李政道和杨振宁先生的宇称不守恒理论发现,人们意识到这种衰变有必要在中微子有质量时才干发作。不然试验上永久无法承认中微子是否是马约拉纳粒子。

严重的转机发作在本世纪初日本超级神冈和加拿大 SNO 的试验发现了不同品种的中微子微观量子力学震动的现象:它们之间能够转化。我国的大亚湾试验继后观测到了第三种也是终究一种转化形式。因为这些转化只要当中微子质量不安仔栋笃笑是零才干呈现,因而直接证明了中微子有质量,翻开了超出粒子物理规范模型的新物理窗口。神冈与 SNO 试验获得2015年诺贝尔物理学奖;而大亚湾试验和它们一同获得科学奖金数额之最的2017年根底物理打破奖。

中微子的质量尽管不为零,但也却是微乎其微,大概是几十个毫电子伏特的量级,比电子的质量小了百万倍,和生物学的能标差不多。因而中微子的质量比较电子来愈加轻得不行思议!

理论物理学家惊讶地发现,假如中微子确是马约拉纳粒子,其细小无比的质量能够轻松解说。

马约拉纳答应一种跷跷板机制,基女生私密础物理电、弱、强三大相互效果大统一为一种力的能标(一般以为比质子的质量大了万亿倍),决议了中微子质量的巨细:前者越高,后者就越轻。因而,马约拉纳中微子微乎其微的质量却是带着了根底物理学最深入的基因。

可是,关于验证中微子是否马约拉纳粒子的无中微子贝塔衰变试验来说,这个粒子的质量却是不行忍耐的轻(Unbearable Lightness of Being),因为几十个毫电子伏特的质量意味着其衰变形式的寿数大于1026年,比世界的年纪还长了亿亿倍。因而,即便有一吨的同位素(1028个原子核),静静等上一年,也只要几个衰变事情发作。

天然界中能发作双贝塔衰变的原子核同位素屈指可数,现在试验中最看好的是锗76,氙136,碲130等,其它可行的如硒82,钼100和镉116等手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰。天然的锗和氙中相关的同位素含量不到1/10,因而试验上需求人工集成高丰度的质料。这就需求很多的离心机,一种能把相同元素的不同质量原子核分隔的精巧设备。离心机能够用来富集铀235来制作核武器,因而要获得很多的同位素不光需求很多的时刻和经费,还需打通军事禁区flashsky。



高丰度同位素的获得需求很多的离心机,一种也能够富集铀235来制作核武器的手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰设备

用1028个原子核等上一年来找几个无中微子双贝塔衰变案例是个当之无愧的极限应战。

地球表面,无时无刻不被很多的世界射线搅扰,而地下的岩石里处处有各种放射性作崇。因而,这样的试验有必要躲到两千多米深的地下,一切试验用到的资料有必要通过精选和提纯,整个试验设备有必要屏蔽在几百到几千吨的超纯资料环境中。即便这种“世界中最洁净”的当地,搅扰也会在试验数和傲娇妹妹同居的日子据中发作很多的噪声,找到有用的信号堪比难如登天。

一个无法战胜的噪声是一般的双贝塔衰变随同着两个中微子的诞生,这个进程比无中微子形式的概率大了上万倍以上。当中微子带着的能量很少时,前者的物理信号简直与后者毫无别离。仅有能做到的,是把电子的能量测得十分十分准确,然后看实测信号比一般的双贝塔衰变估计的超出。现在,试验上最好的电子能量分辩率能到达千分之一到二的准确度。

即便是如此困难,半个世纪以来,试验学家也通过多种途径,锲而不舍寻觅无中微子双贝塔衰变 [4]。现在,世界上有十多个中大型试验,使用不同的勘探器技能,寻觅不同同位素中的这种衰变形式。

美国在2015年宣布的核科学十年规划中,把无中微子双贝塔衰变试验列为新建项目的第体系让她维护渣弟一位,预期投入3亿美元缔造一个吨级同位素试验 [5]。欧洲正在大力展开 CUORE、GERDA 等项目,现在都提出了吨级试验的概念。日本的KamLAND-Zen 试验是现阶段体量最大、最有竞争力的试验之一,也得到了日本政府的长时间支撑。因为承认中微子根本特性对未来物理学至deciet关重要,简直一切的地下试验室都有至少一个无中微子双贝塔衰变试验。

寻觅无中微子双贝塔衰变是应战也是时机。现有的试验在体量、能量分辩率、本底等三个方面,没有一个能够做到悉数统筹,不能沿一个明晰的道路向前推动。这给我国的粒子与核物理学家供给了活跃参与、大显神通的时机。

最近国家发改委支撑的十三五严重根底设施,我国四川的锦屏地下试验室,具有世界上最好的天然条件,是展开吨级无中微子双贝塔衰变的抱负场所 [6]。锦屏的埋深达2500米,因而试验简直不遭到世界射线的影响。国内现阶段在锦屏展开的试验包含 PandaX(氙136)和 CDEX(锗76),有期望在5到10年内到达世界无中微子双贝塔衰变试验的先进水平。此外,低温量能器技能和高压气体朴丽芬技能也在活跃研制中。



二期锦屏地下试验室。图片来历:INSPIRE

5. 马约拉纳准粒子与拓扑量子核算

现代物理学手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰的两个大范畴别离是粒子物理与凝聚态物理。这两个袁咏珊范畴的文明不尽相同:一个着重物理现象更根本的解说,如根本粒子和相互效果,一个着重杂乱体系衍生出的别致物理现象,如高温超导和量子霍尔效应。但物理时空的真空状况与凝聚态杂乱体系基态的相似性使得许多理论办法和概念能够相互借用。

闻名的“天主粒子”就反映了粒子理论家通过超导现象的解说,悟出物理真空的相变是发作一种根本粒子质量的机制。凝聚态物理家很天然地把马约拉纳粒子的概念从根本粒子拓宽到所谓“准粒子”,用来描绘多电子杂乱体系呈展的简略而又栗田健男神妙的运动形式。因而,在粒子物理学家如火如荼的寻觅马约拉纳根本粒子的一同,凝聚态物理学家从另一个方向热切地寻觅固手抄报模板,马约拉纳:未来物理的天使仍是鬼魂?,张三丰体资猜中马约拉纳准粒子。

在由原子组成的固体资猜中,巨大数目的电子依据泡利不相容原理处在能量尽或许低的状况上,构成所谓的费米海。在这个海里如explose果缺了一个电子,就构成一个“空穴”,能够看作是一个“反电子”。海面上的“波涛”是由海面上的电子和下面的”空穴“的混合运动而构成,有时能够看作是一个有能量动量的“粒子”在运动,这称为“准粒子”。在特定的条件下,这种团体运动状况能够用一个类似于自在的中性费米子(马约拉纳)来描绘,电子和“空穴”的运动状况具有彻底对称性。可是就像舞龙灯的“龙”是由人来进行,马约拉纳准粒子是由很多的电子来表表演的一个特别的状况。数学上,中性费米子不仅仅作为根本粒子在3+1维的空间与时刻中存在,它们能够在3维或低维空间里作为一种“准粒子”存在。

事实上,在惯例(BCS)超导体内的根本激起状况便是一个由电子和空穴组成的准粒子,具有马约拉纳粒子的特征,而超导的“能隙”就类似于马约拉纳粒子的质量。

凝聚态物理学家首要爱好在于所谓的马约拉纳“零模”,一个具马约拉纳特性的、围绕着空间某一固定点的电子团体运动状况,其能量为零,和其他运动状况构成一个特别的能量差。理论研讨标明,在超导体和拓扑绝缘体的界面上,一种超导旋涡邻近能长出这样的零模。两个这样空间分余枫无所谓离的零模构成一个“准费米子”,能够作为量子核算的“量子比特”。

量子核算因其特别的功用成为当时量子物理的重要研讨方向,但量子核算机对环境噪声十分灵敏,需求很多的资源维护才干真实完成。马约拉纳准粒子因为拓扑性质所构成的能量差和构成比特的空间拓宽性质,具有特别的抗噪声才能,因而遭到分外的喜爱。



在超导和拓扑绝缘体界面上呈现的马约拉纳零模

自2012年开端,世界上有多个试验组连续完成了马约拉纳零模的制备 [4]。在我国,上海交大研讨组和科学院物理所的研讨组别离在拓扑绝缘体/超导体异质结构[7北京奥之杰汽车修理有限公司]和铁基超导体单晶[8]中发现了马约拉纳零能模的依据。要完成量子核算,有必要对这样的零模在两维空间中使用它们特别的核算性质进行独立超控。这在技能上尽管有很大应战,但应该能完成。

果真如此,那马约拉纳粒子将是未来量子核算的天使。

马约拉纳在凝聚态中作为一个准粒子的存在,并不意味着它必定就会是结构大天然的柱石。假如通过极限应战,试验学家证明了中微子是马约拉纳粒子,那马约拉纳的确是根底物理的天使,不然或许就成了无法承认的“鬼魂”。

无论怎么,马约拉纳时间短的物理生计给未来的物理带来了不行磨灭的时机。


作者感谢中科院数理学部自主咨询项目的赞助和张焕乔、文小刚、何红建、何小刚、黄焕中等先生有利的评论。

参考文献

[1] E. Majorana Nuovo Cimento 5, 171 (1937)

[2] https://www.sciencemag.org/site/feature/misc/webfeat/125th/

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter

[4] S. Elliott and M.Franz, https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/

RevModPhys.87.137

[5] https://science.energy.gov/~/media/np/nsac/pdf/docs/2016/NLDBD_Report_2015_

Final_Nov18.pdf

[6] http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2018-09/27/nw.D110000gmrb_20180927_1-13.htm

[7] J. P. Xu et al. , Phys. Rev. Lett. 114, 017001 (2014)

[8] D. F. Wang et al, Science 362, 333 (2018)

制版修改 | 皮皮鱼

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