科学家在另一个维度发现粒子

  参考消息网3月11日报道 据美国《大众机械》月刊网站2月17日报道，当你深入探究现实的本质，即构成你我以及三维空间中我们周围一切事物的基本粒子时，事物可以清晰地分为两类：费米子和玻色子。

  这两类粒子主要由它们的原子自旋（用量子力学术语来说）来定义。其中玻色子（光子、胶子、希格斯玻色子、W玻色子和Z玻色子）具有整数自旋值，而费米子（质子、中子、电子、中微子）具有半整数自旋值。虽然两个玻色子可以占据相同的量子态（这就是为什么光子可以穿过彼此），但两个费米子却不能。这是件好事，因为如果它们可以，你现在就可能穿过地板掉下去。

  但是，就像科学中的大多数事情一样，情况并不总是那么整齐划一。

  例如，半个世纪以来，科学家们一直知道二维空间中存在任意子。这种准粒子本质上介于玻色子和费米子之间，这也解释了美国物理学家弗兰克·维尔切克为什么将它命名为“任意子”。

  然而，直到2020年，科学家才通过实验在单原子层厚（二维）的半导体中观察到这些奇特的粒子。维尔切克当时说：“我们有了玻色子和费米子，现在我们有了第三个王国，这绝对是一个里程碑。”

  如今，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）和美国俄克拉何马大学的科学家报告了一个任意子可以存在的一维系统。在两篇均发表在美国《物理评论A》杂志上的独立论文中，研究人员描述了可调任意子的配方及其理论性质，探索了这个基本粒子“第三王国”的一个新领域。

  这两项研究报告的共同作者、OIST的托马斯·布施在一份新闻稿中说：“我们宇宙中的每一个粒子似乎都严格地属于两类：玻色子或费米子。为什么没有其他类型？通过这些研究，我们已经打开了通往更深入了解量子世界基本属性的大门，看到理论物理学和实验物理学接下来将把我们带向何方，真是令人兴奋。”

  任意子只存在于较低维度中，因为简单来说，这些维度中的粒子移动的选择较少。

  OIST的博士生劳尔·伊达尔戈-萨科顿描述了三维空间中存在的“交换因子”。这一性质要求当两个电子交换位置时，它们必须遵守一个控制该事件数学统计的简单规则：它的平方必须等于1，这意味着所有粒子要么是-1（费米子），要么是1（玻色子）。

  伊达尔戈-萨科顿在一份新闻稿中说，在二维空间中，事情就没那么简单了，“为了满足不可区分性定律，我们需要在一个连续范围内的交换因子来解释交换，而这取决于路径的具体曲折情况”。而任何介于-1和1之间的粒子都被视为任意子。

  在这项研究中，布施、伊达尔戈-萨科顿和他们的同事德特尔·布卢姆（来自俄克拉何马大学）发现，这种玻色子-费米子二元性在一维情况下仍然被打破，他们甚至发现了一种专门调节交换因子的方法。

  由于粒子在一个维度上的运动受限，它们必须穿过彼此，这就导致了其交换因子与更高维度的交换因子不同。这可能与粒子间短程相互作用的强度有关。

  布施在一份新闻稿中说：“我们不仅确定了一维任意子存在的可能性，而且展示了如何对其交换统计特性进行映射。我们非常期待看到未来在这个领域会有哪些发现，以及这些发现能告诉我们关于宇宙基本物理学的哪些信息。”（编译/王海昉）