新粒子假設科普知識
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物理學(xué)家蓋爾曼深信物理規律的對稱(chēng)性是自然界的最普遍法則之一。1961年，他根據對稱(chēng)性思想，把有相近性質(zhì)的強作用基本粒子分成了一個(gè)個(gè)族，并認為每個(gè)族應有8個(gè)成員。
但是根據當時(shí)的實(shí)驗結果，有一個(gè)族的基本粒子只有7個(gè)成員，蓋爾曼據此大膽預言，還存在一個(gè)未被發(fā)現的新粒子，第二年果然在實(shí)驗中找到了這個(gè)新的基本粒子。
據每日科學(xué)網(wǎng)站6月1日消息，歐洲科學(xué)家團隊利用大型強子對撞機（LHC）揭示了宇宙大爆炸第一個(gè)0.000001秒內發(fā)生的新細節，即第一個(gè)微秒內一種特殊的等離子體發(fā)生了什么，這一發(fā)現引發(fā)了科學(xué)家的關(guān)注。
大型強子對撞機在探索微觀(guān)世界構成方面發(fā)揮著(zhù)巨大的功效，也是探索新粒子的重要物理設備。隨著(zhù)粒子物理標準模型的發(fā)展，許多被預言的基本粒子得到了驗證。但在粒子被實(shí)驗驗證之前，科學(xué)家是怎樣預言新粒子的呢？
一、源于對數學(xué)的探索
20世紀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)間和空間坐標來(lái)說(shuō)都是線(xiàn)性相對論性的波動(dòng)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(gè)以后被稱(chēng)為“狄拉克方程”的電子波動(dòng)方程。利用這個(gè)方程推出的粒子高速運動(dòng)的許多性質(zhì)，都在實(shí)驗中得到了證實(shí)，它把量子力學(xué)中原本各自獨立的.重要實(shí)驗事實(shí)統一了起來(lái)。
但狄拉克方程對應的本征態(tài)有負能解，是把不可思議的負能態(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，他對負能態(tài)的物理圖景進(jìn)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(mǎn)的“負能電子�！钡募僬f(shuō)。接著(zhù)，他進(jìn)一步思考，既然全部填滿(mǎn)的負能電子海相當于真空，那么從電子海中躍出一個(gè)電子又相當于什么呢？那就會(huì )出現一個(gè)正能態(tài)電子和一個(gè)負能態(tài)的空穴。他認為激發(fā)出來(lái)的這個(gè)正能態(tài)電子就是普通電子，帶有一個(gè)單位的負電荷，而電子被激發(fā)出以后在電子海留下的這個(gè)空穴，少了一個(gè)負值能量，帶一個(gè)正值能量。他起初認為這就是“質(zhì)子”，不過(guò)這個(gè)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(chēng)美的思想出發(fā)，指出從數學(xué)上來(lái)看，這個(gè)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(shuō)：這個(gè)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(chēng)的概念。
1932年，美國物理學(xué)家安德森在研究宇宙射線(xiàn)時(shí)果然發(fā)現了狄拉克預言的正電子。物理學(xué)界引起了轟動(dòng)，這啟發(fā)人們去尋找其他粒子的反粒子。
人們逐步認識到，各類(lèi)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(guān)于反粒子的發(fā)現時(shí)指出：“這個(gè)工作完全得自于對數學(xué)的探索�！�
1933年，狄拉克因發(fā)現“狄拉克方程”獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
二、來(lái)自對物理規律的深信
20世紀50年代，已發(fā)現的基本粒子有數百種，對這些粒子進(jìn)行分類(lèi)，找出它們性質(zhì)之間的內在聯(lián)系，研究這些基本粒子的性質(zhì)和結構，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(lèi)研究中，物理學(xué)家蓋爾曼深信物理規律的對稱(chēng)性是自然界的最普遍法則之一，對稱(chēng)性實(shí)際上體現了自然界存在的內部聯(lián)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(chēng)性來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。
1961年，蓋爾曼根據對稱(chēng)性思想，把有相近性質(zhì)的強作用基本粒子分成了一個(gè)個(gè)族，并認為每個(gè)族應有8個(gè)成員。
但是根據當時(shí)的實(shí)驗結果，有一個(gè)族的基本粒子只有7個(gè)成員，蓋爾曼據此大膽預言，還存在一個(gè)未被發(fā)現的新粒子，第二年（1962年）果然在實(shí)驗中找到了這個(gè)新的基本粒子——η°介子。
蓋爾曼就此一發(fā)不可收拾：他預言了另一個(gè)被稱(chēng)為Ω-的新粒子的存在。xxxx年1月，美國布魯海文實(shí)驗室的斯米歐在氣泡室的成千上萬(wàn)張照片中找到了Ω-粒子衰變時(shí)留下的痕跡。蓋爾曼的預言終于實(shí)現了！
η°介子和Ω-粒子的相繼發(fā)現，證實(shí)了蓋爾曼理論的正確性，從而確立了對稱(chēng)方法在基本粒子研究中的重要地位。
根據對稱(chēng)理論，存在一個(gè)三維的基礎表示——在這個(gè)族里應該有3個(gè)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(lái)沒(méi)有被觀(guān)測到。
但沒(méi)有被觀(guān)測到不等于不存在。經(jīng)過(guò)深入思考，蓋爾曼給這3個(gè)粒子命名為上夸克、下夸克和奇異夸克，統稱(chēng)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(shí)已發(fā)現的強子，這就是著(zhù)名的夸克模型。物理學(xué)家設計了很多實(shí)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(shí)驗事實(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(gè)擴充到了現在的6個(gè)。
1969年，蓋爾曼因“在基本粒子的分類(lèi)及相互作用方面的貢獻”獲諾貝爾物理學(xué)獎。
三、預言中的粒子仍在找尋中
粒子世界住著(zhù)兩大家族：以電子、質(zhì)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(xué)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(cháng)相一模一樣、但脾氣完全相反的雙胞胎兄弟，兩兄弟一見(jiàn)面就“大打出手”，產(chǎn)生的能量甚至會(huì )讓它們瞬間湮滅。
1937年，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納預言，自然界中可能存在一類(lèi)特殊的費米子，這種費米子的反粒子不但和它自己長(cháng)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(chēng)為“馬約拉納費米子”，又被稱(chēng)為“天使粒子”。在現代物理學(xué)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(chēng)理論以及暗物質(zhì)息息相關(guān)，更重要的是，它還能在量子計算領(lǐng)域中發(fā)揮巨大作用，是拓撲量子比特的最優(yōu)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(xué)家們已經(jīng)發(fā)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(guān)于這一論斷的實(shí)驗仍在進(jìn)行，且困難重重。
大約10年前，科學(xué)家意識到馬約拉納費米子可能在材料物理的實(shí)驗中被制造出來(lái)。于是，一場(chǎng)尋找馬約拉納費米子的競賽開(kāi)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)驗中宣稱(chēng)發(fā)現了馬約拉納費米子。
然而，此粒子非彼粒子。這次宣布的發(fā)現是“手性”馬約拉納費米子，它是一個(gè)只能在一維路徑上往一個(gè)方向跑的、自己是自己反粒子的費米子。這與高能物理學(xué)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(fā)表重磅研究，稱(chēng)“觀(guān)察到馬約拉納費米子存在的相當有力的證據”。不過(guò)，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(guān)察到自然現象背后的和諧關(guān)系和莊嚴秩序，體會(huì )到客觀(guān)規律的力量，并把揭示這種普遍規律，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。