華裔學者發現正反同體「天使粒子」 破解80年難題

埃托雷·馬約拉納。

新京報製圖/陳冬

國際物理學界80年來一直在追尋的神秘粒子終於「現身」。昨日，學術期刊《科學》（Science）在線發表四位華人科學家領銜的科研團隊的最新研究成果：首次發現「手性馬約拉納費米子」。它的獨特之處在於，是費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洛杉磯分校王康隆課題組主導，斯坦福大學張首晟課題組及上海科技大學寇煦豐課題組等8家單位合作完成。通訊作者何慶林、寇煦豐、張首晟、王康隆，均為華人科學家。

事件

反粒子是其本身的神秘粒子終現身

粒子世界有兩大家族，費米子和玻色子。目前人類已知的所有基本物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料（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，學界普遍認為，每一種費米子都有它的反粒子，且狀態與粒子本身相反。1937年，義大利物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）預言，自然界中可能存在一類特殊的費米子，它的反粒子就是它自身，這種費米子被稱為「馬約拉納費米子」。

不過，馬約拉納費米子存在的證據一直未被發現，它和中微子、希格斯玻色子等一起，成為理論早有預言但長期無法驗證的粒子。80年後，終於有一支科研團隊證明了它的存在。

張首晟以「天使粒子」為團隊新發現的這種獨特費米子命名。他說，過去學界認為有粒子必有其反粒子，正如有天使必有魔鬼。「但今天，我們找到了一個沒有反粒子的粒子，一個只有天使，沒有魔鬼的完美世界」，張首晟說。

影響

具重要應用價值 使量子計算成現實

神秘「天使粒子」的發現有怎樣的價值？

「馬約拉納費米子是上世紀三十年代理論上預言的可能存在的一種基本粒子」，科學院卡弗里理論物理研究所所長張富春表示，馬約拉納費米子是與物理大原理一致的，沒有原因不存在，「以後主要的猜測是，中微子也許就是這一類粒子，所以它的發現很重要」。

北京大學物理學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守恆定律，如果要產生必須同時產生對應的反粒子，但是馬約拉納費米子可以「憑空」成對產生，因為它是自己的反粒子。

「如果這個實驗和理論解釋都沒有問題，那應該是首次發現手性馬約拉納費米子」，該研究員解釋說，「手性」（chiral）可以大致認為是這種粒子只沿一個方向運動，這通常被認為有可能用來實現低能耗的信息傳輸和處理。

有國際同行評價，發現馬約拉納費米子是繼發現「上帝粒子」（希格斯玻色子）、中微子、引力子之後的又一里程碑發現，不僅具有重大的理論意義，而且具有重要的潛在應用價值：讓量子計算成為現實。

關於量子計算，前述研究員解釋說，量子計算機在很多方面都可以超越現在的經典計算機，通常舉的例子是基於量子計算機的著名Shor演算法，可以迅速破解RSA公鑰密碼，而這一密碼是現在很多網路加密通信的基礎，比如https協議。因此許多國家在發展量子計算機的同時也在發展基於量子物理的加密和通信方法。

■ 對話

加利福尼亞大學洛杉磯分校王康隆

馬約拉納費米子像是天使給我們的物質

昨日，王康隆接受了新京報記者的獨家專訪。王康隆說，馬約拉納費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。他還表示，稱「太極粒子」可能更貼切，「馬約拉納費米子正反同體，就和道家的陰陽八卦圖一樣。」

談「天使粒子」

正反同體，像道家的陰陽八卦圖

新京報：能簡單介紹下「天使粒子」嗎？

王康隆：「天使粒子」原名馬約拉納費米子，是以義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）的名字命名的。馬約拉納是個很傳奇的物理學家。整整80年前，也就是1937年，年輕的馬約拉納改寫了描述費米子的狄拉克方程，發表了一篇關於「馬約拉納費米子」的論文後，就從人間消失了。

從1937年開始，針對「馬約拉納費米子」假設的實驗一直沒有取得突破性進展。近10年來，西方有很多學者在探究馬約拉納費米子的存在，甚至連普林斯頓大學都在做，用了各種不同的方法，但都只得到模稜兩可的結果。

新京報：馬約拉納費米子為什麼又被稱為「天使粒子」？

王康隆：這個粒子本身就具有浪漫主義色彩。人講，有陰必有陽，很久以來，物理學界也認為，宇宙中每一個基本費米粒子必然有相對應的反粒子。但是，馬約拉納費米子不一樣，它是正反同體的，就像是天使給我們的物質一樣。

不過，「天使粒子」這個名字我也是昨天才聽說，我認為稱「太極粒子」比較好，馬約拉納費米子正反同體，就像道家的陰陽八卦圖一樣。

談實驗

歷經13年 發現天使粒子是意外驚喜

新京報：什麼時候開始做這項研究的？

王康隆：2004年，美國政府和美國半導體公司支持我的團隊做一個項目，是關於拓撲絕緣體和量子反常霍爾效應的。我們在這個領域取得了突破，但覺得還不夠，想更進一步。大約在七八年前，我們發現手頭上已經有非常豐富的基礎材料了，於是一步一步深入，最終發現了「天使粒子」。

發現「天使粒子」對我們團隊而言是一個意外的驚喜。從最初準備實驗到現在已經有13年之久，我們剛開始時並沒有說「哇，我們十幾年後要研究天使粒子」，而是在準備了大量實驗材料，做了大量前期研究后，才一步一步走到這裡的。必須得說，研究過程比較順利主要還是材料基礎打得好，沒有材料基礎是不可能的。

新京報：實驗團隊都有哪些成員？

王康隆：實驗的主要參與者都是華人。上海科技大學的寇煦豐和UCLA的何慶林都是我的學生，張首晟教授帶領的斯坦福大學研究團隊後來加入了我們。

實驗非常複雜，因此參與其中的科研人員不計其數。我鼓勵我的學生積极參与，有時，我們還需要借用加州大學戴維斯分校和加州大學爾灣分校和國家實驗室的儀器，我也會請那裡的學生和研究員幫忙。

不過，設計實驗目標與過程、主要實驗操作、撰寫論文這些主要工作，都是我和UCLA團隊完成的。

新京報：實驗結論有沒有受到過質疑？

王康隆：大約一年前，我們就在實驗中清晰地測量到馬約拉納費米子並撰寫了論文。不過，論文經歷了長達一年的審查才最終發表。這種審查過程是正常的程序，研究結果越重要，審查時間就越長。

當時論文送去審查時，審查人員提出過多種質疑。我和團隊每次都會以相應實驗來反駁這些質疑，證明自己的結果是對的。這一年中有兩次，我甚至需要寫30多頁的報告去解釋自己的實驗內容。

論文發表后，到目前為止還沒有聽到質疑聲，畢竟已經和審查人員「打了一年的仗」。

談諾獎

每天想拿獎不是做學問的態度

新京報：會以此衝擊諾貝爾獎嗎？

王康隆：我從來沒想過，我是做工程的，做工程的不會想這個問題，只想乖乖把實驗做好。我認為諾貝爾獎是一個機遇，每天想拿獎不好，就不是一個做學問的態度了，根本就不是為了做物理，而是為了獎去做的。

新京報：接下來有哪些新的研究計劃？

王康隆：人有男女兩性，但再往細微處研究，細胞就沒有男女之分了。粒子是更基礎的物質，今天我們發現一個粒子可以既包含陰性又包含陽性。那麼，更基礎的物質是怎樣的？這個世界究竟是怎樣的？我想進一步探究下去。

而且，這次實驗都是在美國完成的，以後的實驗我也想和國內合作研究，這樣就更棒了。

「天使粒子」80年探尋史

1928年 英國物理學家狄拉克預測：宇宙中每個基本粒子都有一個與其對應的反粒子。

1932年 美國物理學家安德森發現第一個反物質——電子的反粒子。安德森的實驗驗證了狄拉克的理論,也是人類首次發現反物質的存在。

1937年 義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納預測，在「費米子」（包括質子、中子、電子、中微子和夸克）中，應該有一些粒子，它們本身就是自己的反粒子。即我們今天所稱的「馬約拉納費米子」。

1938年 馬約拉納做出這一預測后不久，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家們夢寐以求的探索目標。

2017年7月21日 學術期刊《科學》發表四位華人科學家領銜的科研團隊的最新研究成果：首次發現「手性馬約拉納費米子」。

本版采寫/新京報記者 王碩 池寧喬