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    科學家是怎樣預言新粒子,回顧粒子發現與研究歷程

      安穩隨性        2021-06-10 09:14:46

    物理學家蓋爾曼深信物理規律的對稱性是自然界的最普遍法則之一。1961年,他根據對稱性思想,把有相近性質的強作用基本粒子分成了一個個族,并認為每個族應有8個成員。


    但是根據當時的實驗結果,有一個族的基本粒子只有7個成員,蓋爾曼據此大膽預言,還存在一個未被發現的新粒子,第二年果然在實驗中找到了這個新的基本粒子。


    據每日科學網站6月1日消息,歐洲科學家團隊利用大型強子對撞機(LHC)揭示了宇宙大爆 炸第一個0.000001秒內發生的新細節,即第一個微秒內一種特殊的等離子體發生了什么,這一發現引發了科學家的關注。

    科學家是怎樣預言新粒子,回顧粒子發現與研究歷程

    大型強子對撞機在探索微觀世界構成方面發揮著巨大的功效,也是探索新粒子的重要物理設備。隨著粒子物理標準模型的發展,許多被預言的基本粒子得到了驗證。但在粒子被實驗驗證之前,科學家是怎樣預言新粒子的呢?


    源于對數學的探索


    20世紀20年代,英國物理學家狄拉克正致力于研究相對論量子力學,他要建立一種對時間和空間坐標來說都是線性相對論性的波動方程。


    受到奧地利物理學家泡利在量子理論中提出的“泡利矩陣”的啟發,狄拉克把2行2列的矩陣演變為4行4列矩陣,于是得到了這個以后被稱為“狄拉克方程”的電子波動方程。利用這個方程推出的粒子高速運動的許多性質,都在實驗中得到了證實,它把量子力學中原本各自獨立的重要實驗事實統一了起來。


    但狄拉克方程對應的本征態有負能解,是把不可思議的負能態排除出去,還是接受它以保持方程的完美性?狄拉克勇敢地選擇了后者,他對負能態的物理圖景進行了大膽的設想。


    首先,他革新了“真空”概念,提出了真空是被填滿的“負能電子?!钡募僬f。接著,他進一步思考,既然全部填滿的負能電子海相當于真空,那么從電子海中躍出一個電子又相當于什么呢?那就會出現一個正能態電子和一個負能態的空穴。他認為激發出來的這個正能態電子就是普通電子,帶有一個單位的負電荷,而電子被激發出以后在電子海留下的這個空穴,少了一個負值能量,帶一個正值能量。他起初認為這就是“質子”,不過這個奇怪的“質子”,質量卻比一般質子要小得多,這是難以想象的。


    狄拉克從對稱美的思想出發,指出從數學上來看,這個帶正值能量的奇怪的“質子”,其質量必須與電子質量相同,從而大膽提出了“反物質”的假說:這個奇怪的“質子”是真空中的反電子,即正電子,他同時還提出了嶄新的電荷共軛對稱的概念。


    1932年,美國物理學家安德森在研究宇宙射線時果然發現了狄拉克預言的正電子。物理學界引起了轟動,這啟發人們去尋找其他粒子的反粒子。


    人們逐步認識到,各類基本粒子都有相應的反粒子存在,這是自然界的一條普遍規律。


    狄拉克在回顧自己做出的關于反粒子的發現時指出:“這個工作完全得自于對數學的探索?!?


    1933年,狄拉克因發現“狄拉克方程”獲得諾貝爾物理學獎。

    科學家是怎樣預言新粒子,回顧粒子發現與研究歷程

    來自對物理規律的深信


    20世紀50年代,已發現的基本粒子有數百種,對這些粒子進行分類,找出它們性質之間的內在聯系,研究這些基本粒子的性質和結構,尋找比基本粒子還要“基本”的組元,成為高能物理學研究的熱點。


    在這類研究中,物理學家蓋爾曼深信物理規律的對稱性是自然界的最普遍法則之一,對稱性實際上體現了自然界存在的內部聯系和規律的和諧。因此,蓋爾曼相信所有的基本粒子都可以根據它們所具有的不同對稱性來進行分類。


    1961年,蓋爾曼根據對稱性思想,把有相近性質的強作用基本粒子分成了一個個族,并認為每個族應有8個成員。


    但是根據當時的實驗結果,有一個族的基本粒子只有7個成員,蓋爾曼據此大膽預言,還存在一個未被發現的新粒子,第二年(1962年)果然在實驗中找到了這個新的基本粒子——η°介子。


    蓋爾曼就此一發不可收拾:他預言了另一個被稱為Ω-的新粒子的存在。1964年1月,美國布魯海文實驗室的斯米歐在氣泡室的成千上萬張照片中找到了Ω-粒子衰變時留下的痕跡。蓋爾曼的預言終于實現了!


    η°介子和Ω-粒子的相繼發現,證實了蓋爾曼理論的正確性,從而確立了對稱方法在基本粒子研究中的重要地位。


    根據對稱理論,存在一個三維的基礎表示——在這個族里應該有3個粒子,只能帶有分數電荷,即2/3、-1/3、-1/3的單位電荷,然而分數電荷卻從來沒有被觀測到。


    但沒有被觀測到不等于不存在。經過深入思考,蓋爾曼給這3個粒子命名為上夸克、下夸克和奇異夸克,統稱為夸克。在其理論中,用這3種夸克及其反粒子就可以解釋當時已發現的強子,這就是著名的夸克模型。物理學家設計了很多實驗,去尋找這些帶有分數電荷數的自由夸克。由于夸克模型的結果與一系列實驗事實符合得很好,因此它在隨后時間里也得到了發展,其成員已從3個擴充到了現在的6個。


    1969年,蓋爾曼因“在基本粒子的分類及相互作用方面的貢獻”獲諾貝爾物理學獎。


    預言中的粒子仍在找尋中


    粒子世界住著兩大家族:以電子、質子為代表的費米子家族和以光子、介子為代表的玻色子家族,它們分別以物理學家費米和玻色的名字命名。一般認為,每一種粒子都有它的反粒子,費米子和它的反粒子就像一對長相一模一樣、但脾氣完全相反的雙胞胎兄弟,兩兄弟一見面就“大打出手”,產生的能量甚至會讓它們瞬間湮滅。

    科學家是怎樣預言新粒子,回顧粒子發現與研究歷程

    1937年,意大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言,自然界中可能存在一類特殊的費米子,這種費米子的反粒子不但和它自己長相一樣,脾氣也完全相同。兩兄弟站在一起就像照鏡子,它們的反粒子就是自己本身,這種費米子被稱為“馬約拉納費米子”,又被稱為“天使粒子”。在現代物理學家眼里,馬約拉納費米子不僅是一種重要的基本粒子——與超對稱理論以及暗物質息息相關,更重要的是,它還能在量子計算領域中發揮巨大作用,是拓撲量子比特的最優載體之一。


    馬約拉納的預言針對的只是不帶電荷的費米子,比如中子和中微子。由于科學家們已經發現了中子的反粒子,根據馬約拉納的預言,他們認為,中微子的反粒子可能就是中微子本身。但目前,關于這一論斷的實驗仍在進行,且困難重重。


    大約10年前,科學家意識到馬約拉納費米子可能在材料物理的實驗中被制造出來。于是,一場尋找馬約拉納費米子的競賽開始了。


    2017年7月21日,《科學》雜志上刊登的一篇論文引起了物理學界的關注。美國加州大學與斯坦福大學的研究人員合作,在一系列特殊實驗中宣稱發現了馬約拉納費米子。


    然而,此粒子非彼粒子。這次宣布的發現是“手性”馬約拉納費米子,它是一個只能在一維路徑上往一個方向跑的、自己是自己反粒子的費米子。這與高能物理學家尋找了80年的馬約拉納費米子很不相同,該馬約拉納費米子是三維的。


    2018年,微軟量子團隊在《自然》發表重磅研究,稱“觀察到馬約拉納費米子存在的相當有力的證據”。不過,3年之后。微軟就因“技術錯誤”撤回了論文。


    時至今日,找尋“天使粒子”的工作仍在進行中??茖W家觀察到自然現象背后的和諧關系和莊嚴秩序,體會到客觀規律的力量,并把揭示這種普遍規律,即科學真理,看作是自己的神圣的任務和最高的精神追求。


    來源:科技日報記者 吳長鋒

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