小心求證之前 科學(xué)家如何預(yù)言新粒子？

物理學(xué)家蓋爾曼深信物理規(guī)律的對稱性是自然界的最普遍法則之一。1961年，他根據(jù)對稱性思想，把有相近性質(zhì)的強(qiáng)作用基本粒子分成了一個個族，并認(rèn)為每個族應(yīng)有8個成員。

但是根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有一個族的基本粒子只有7個成員，蓋爾曼據(jù)此大膽預(yù)言，還存在一個未被發(fā)現(xiàn)的新粒子，第二年果然在實(shí)驗(yàn)中找到了這個新的基本粒子。

據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)站6月1日消息，歐洲科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)揭示了宇宙大爆炸第一個0.000001秒內(nèi)發(fā)生的新細(xì)節(jié)，即第一個微秒內(nèi)一種特殊的等離子體發(fā)生了什么，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學(xué)家的關(guān)注。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)在探索微觀世界構(gòu)成方面發(fā)揮著巨大的功效，也是探索新粒子的重要物理設(shè)備。隨著粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展，許多被預(yù)言的基本粒子得到了驗(yàn)證。但在粒子被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前，科學(xué)家是怎樣預(yù)言新粒子的呢?

源于對數(shù)學(xué)的探索

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

受到奧地利物理學(xué)家泡利在量子理論中提出的“泡利矩陣”的啟發(fā)，狄拉克把2行2列的矩陣演變?yōu)?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(yùn)動的許多性質(zhì)，都在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)，它把量子力學(xué)中原本各自獨(dú)立的重要實(shí)驗(yàn)事實(shí)統(tǒng)一了起來。

但狄拉克方程對應(yīng)的本征態(tài)有負(fù)能解，是把不可思議的負(fù)能態(tài)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(fù)能態(tài)的物理圖景進(jìn)行了大膽的設(shè)想。

首先，他革新了“真空”概念，提出了真空是被填滿的“負(fù)能電子海”的假說。接著，他進(jìn)一步思考，既然全部填滿的負(fù)能電子海相當(dāng)于真空，那么從電子海中躍出一個電子又相當(dāng)于什么呢?那就會出現(xiàn)一個正能態(tài)電子和一個負(fù)能態(tài)的空穴。他認(rèn)為激發(fā)出來的這個正能態(tài)電子就是普通電子，帶有一個單位的負(fù)電荷，而電子被激發(fā)出以后在電子海留下的這個空穴，少了一個負(fù)值能量，帶一個正值能量。他起初認(rèn)為這就是“質(zhì)子”，不過這個奇怪的“質(zhì)子”，質(zhì)量卻比一般質(zhì)子要小得多，這是難以想象的。

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

1932年，美國物理學(xué)家安德森在研究宇宙射線時(shí)果然發(fā)現(xiàn)了狄拉克預(yù)言的正電子。物理學(xué)界引起了轟動，這啟發(fā)人們?nèi)ふ移渌Ｗ拥姆戳Ｗ印?/p>

人們逐步認(rèn)識到，各類基本粒子都有相應(yīng)的反粒子存在，這是自然界的一條普遍規(guī)律。

狄拉克在回顧自己做出的關(guān)于反粒子的發(fā)現(xiàn)時(shí)指出：“這個工作完全得自于對數(shù)學(xué)的探索。”

1933年，狄拉克因發(fā)現(xiàn)“狄拉克方程”獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

來自對物理規(guī)律的深信

20世紀(jì)50年代，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子有數(shù)百種，對這些粒子進(jìn)行分類，找出它們性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，研究這些基本粒子的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，尋找比基本粒子還要“基本”的組元，成為高能物理學(xué)研究的熱點(diǎn)。

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

1961年，蓋爾曼根據(jù)對稱性思想，把有相近性質(zhì)的強(qiáng)作用基本粒子分成了一個個族，并認(rèn)為每個族應(yīng)有8個成員。

但是根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有一個族的基本粒子只有7個成員，蓋爾曼據(jù)此大膽預(yù)言，還存在一個未被發(fā)現(xiàn)的新粒子，第二年(1962年)果然在實(shí)驗(yàn)中找到了這個新的基本粒子——η°介子。

蓋爾曼就此一發(fā)不可收拾：他預(yù)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(shí)驗(yàn)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(shí)留下的痕跡。蓋爾曼的預(yù)言終于實(shí)現(xiàn)了!

η°介子和Ω-粒子的相繼發(fā)現(xiàn)，證實(shí)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(jù)對稱理論，存在一個三維的基礎(chǔ)表示——在這個族里應(yīng)該有3個粒子，只能帶有分?jǐn)?shù)電荷，即2/3、-1/3、-1/3的單位電荷，然而分?jǐn)?shù)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(jīng)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(tǒng)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(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，這就是著名的夸克模型。物理學(xué)家設(shè)計(jì)了很多實(shí)驗(yàn)，去尋找這些帶有分?jǐn)?shù)電荷數(shù)的自由夸克。由于夸克模型的結(jié)果與一系列實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合得很好，因此它在隨后時(shí)間里也得到了發(fā)展，其成員已從3個擴(kuò)充到了現(xiàn)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(xiàn)”獲諾貝爾物理學(xué)獎。

預(yù)言中的粒子仍在找尋中

粒子世界住著兩大家族：以電子、質(zhì)子為代表的費(fèi)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(xué)家費(fèi)米和玻色的名字命名。一般認(rèn)為，每一種粒子都有它的反粒子，費(fèi)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(chǎn)生的能量甚至?xí)屗鼈兯查g湮滅。

1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預(yù)言，自然界中可能存在一類特殊的費(fèi)米子，這種費(fèi)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(fèi)米子被稱為“馬約拉納費(fèi)米子”，又被稱為“天使粒子”。在現(xiàn)代物理學(xué)家眼里，馬約拉納費(fèi)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(zhì)息息相關(guān)，更重要的是，它還能在量子計(jì)算領(lǐng)域中發(fā)揮巨大作用，是拓?fù)?span id="9ugjuxs" class="keyword">量子比特的最優(yōu)載體之一。

馬約拉納的預(yù)言針對的只是不帶電荷的費(fèi)米子，比如中子和中微子。由于科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了中子的反粒子，根據(jù)馬約拉納的預(yù)言，他們認(rèn)為，中微子的反粒子可能就是中微子本身。但目前，關(guān)于這一論斷的實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行，且困難重重。

大約10年前，科學(xué)家意識到馬約拉納費(fèi)米子可能在材料物理的實(shí)驗(yàn)中被制造出來。于是，一場尋找馬約拉納費(fèi)米子的競賽開始了。

2017年7月21日，《科學(xué)》雜志上刊登的一篇論文引起了物理學(xué)界的關(guān)注。美國加州大學(xué)與斯坦福大學(xué)的研究人員合作，在一系列特殊實(shí)驗(yàn)中宣稱發(fā)現(xiàn)了馬約拉納費(fèi)米子。

然而，此粒子非彼粒子。這次宣布的發(fā)現(xiàn)是“手性”馬約拉納費(fèi)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(fèi)米子。這與高能物理學(xué)家尋找了80年的馬約拉納費(fèi)米子很不相同，該馬約拉納費(fèi)米子是三維的。

2018年，微軟量子團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表重磅研究，稱“觀察到馬約拉納費(fèi)米子存在的相當(dāng)有力的證據(jù)”。不過，3年之后。微軟就因“技術(shù)錯誤”撤回了論文。

時(shí)至今日，找尋“天使粒子”的工作仍在進(jìn)行中?？茖W(xué)家觀察到自然現(xiàn)象背后的和諧關(guān)系和莊嚴(yán)秩序，體會到客觀規(guī)律的力量，并把揭示這種普遍規(guī)律，即科學(xué)真理，看作是自己的神圣的任務(wù)和最高的精神追求。(記者 吳長鋒)

關(guān)鍵詞： 新粒子 大膽假設(shè) 科學(xué)家 小心求證