在實驗室中閃現(xiàn)物質(zhì)-反物質(zhì)對

在實驗室中閃現(xiàn)物質(zhì)-反物質(zhì)對

何處是獵取希格斯玻色子（Higgs boson）或神秘粒子的場所，并在那里能設(shè)法做到物質(zhì)與其反物質(zhì)同時出現(xiàn)？看來，目前只有位于瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究中心的強大粒子加速器——大型強子對撞機（LHC）有此可能。在美國物理學(xué)會最近于波士頓舉行的一次學(xué)術(shù)討論會上，有兩篇報告敘述了極微量的這種稀奇之物質(zhì)-反物質(zhì)對能夠在實驗室中閃現(xiàn)。

第一種是純理論性的。馬里蘭大學(xué)的理論工作者Stephen Powell等建議給予物質(zhì)質(zhì)量的幽靈般的希格斯玻色子可能在被稱為自旋冰（spin ice）的晶體中閃現(xiàn)。自旋冰的命名來源于在這些晶體中的量子力學(xué)自旋的有序化，酷似于由普通水所結(jié)冰中的氫原子。2008年當(dāng)在這種晶體中發(fā)現(xiàn)藏匿著單個磁荷的磁單極子，而磁單極子又如一電荷那樣圍繞著自旋冰運動時，引起了物理學(xué)界的轟動，因為磁荷一般都是閉鎖在自然成對的南北磁極中。

Stephen Powell說，自旋冰可能還隱藏著另一個秘密：在適當(dāng)?shù)臈l件下，它會呈現(xiàn)出更有序的狀態(tài)，該狀態(tài)可用當(dāng)希格斯玻色子給予其他基本粒子質(zhì)量時早期宇宙經(jīng)受著的變化之?dāng)?shù)學(xué)描述來說明。如果是，則一個極類似于希格斯玻色子的實體將能潛伏在自旋冰內(nèi)。

第二篇報告是有實際意義的。70多年前，意大利物理學(xué)家Ettore Majorana在研究隱藏在費密子（femions）身后的問題。電子、夸克等物質(zhì)基本構(gòu)件的一類粒子統(tǒng)稱為費密子，每個費密子都有與其電荷相反但其他性質(zhì)都一樣的反粒子，如電子的反粒子是帶正電的正電子。

通常，粒子與其反粒子一接觸便互相湮滅，但1937年，Majorana提出當(dāng)時看來不過是一則數(shù)學(xué)的奇談怪論：一不帶電荷的費密子也能有一反粒子，該反粒子的電荷也為零。這樣的粒子與其反粒子是區(qū)別不了的，而且兩者還能和平共處。

2012年2月27日，荷蘭德爾夫特技術(shù)大學(xué)的Leo Kouwenhoven和他的同事們呈現(xiàn)出這種“一組兩事”的試驗性證明。他們的梅杰拉納粒子（Majorana particls）不是能自行漫步進(jìn)入粒子探測器的那種自由試劑，而是在一由超導(dǎo)體銻化銦構(gòu)成的納米尺度導(dǎo)線內(nèi)的集體激發(fā)態(tài)之電子和“空穴”。小組在納米導(dǎo)線的能譜中見到一尖峰，這暗示與一物體精確地在零能量下形成相符，正如所料是產(chǎn)生了一對梅杰拉納費密子的信號。當(dāng)他們施加一磁場于納米導(dǎo)線時，發(fā)現(xiàn)其能量不隨場強而變化，肯定了此信號確實來自梅杰拉納粒子對。

如果上述試驗被肯定，則梅杰拉納粒子將能作為量子比特（qubits）之候選者用于量子計算機中。量子比特不同于一般比特之處在于其能同時存在于多重狀態(tài)，所謂的疊加態(tài)，并能彼此糾纏。這也意味著量子計算機能同時進(jìn)行多項計算，運算效率比一般計算機要高得多。

量子比特是嬌嫩的創(chuàng)造物，在經(jīng)受任何來源的打擊時極易丟失信息。有許多創(chuàng)作量子比特的方案，包括利用光子和圈閉著的離子，但梅杰拉納粒子有其獨具的長處：該粒子能編碼遍布于兩處的同一信息，使它們能極大地提高抗衡局域起伏的能力。

不幸的是，Majorana在一次從意大利西西里島首府巴勒摩到那不勒斯的泛舟途中不慎落水，遺體也未找到。Kouwenhoven和他的同事們再也分享不到這位年方31歲青年俊杰的其他秘笈了。2006年，烏克蘭物理學(xué)家Oleg Zaslavskii語出幽默：Majorana的消失是他精心創(chuàng)制的幻象用以驗證量子疊加現(xiàn)象的，簡言之，他希望有如薜定諤貓那樣既消逝又存活。但是，與Majorana之夢想引人入勝的粒子不同的是，這是一個不能在實驗室中解決的秘笈。

［許呆呆 據(jù)NewScientist，2012-02-29］