发现粒子王国的第三类粒子

从以光速传播的光子，到幽灵般的中微子，再到构建万物的夸克和电子，在我们生活的三维世界中，所有的基本粒子都可以被划分为两类：费米子和玻色子。然而，理论物理学家预测，在二维世界中，还存在着粒子王国的第三类粒子——任意子（anyon）。现在，一组法国的研究人员通过在实验室中建造的一个微型对撞机，首次发现了第一个证明这种粒子存在的实验证据。

在介绍任意子之前，让我们首先来了解一下费米子和玻色子。

在粒子物理学的标准模型中，费米子是指自旋为半整数（如1/2、3/2等）的粒子，它包括夸克和电子等；玻色子是自旋为整数（0、1、2等）的粒子，包括含光子、胶子、希格斯玻色子等粒子。

在粒子世界中，费米子就好似是“社交恐惧症”重症患者——两个费米子永远不会占据相同的量子态。以电子为例，它们会被迫使处于一个原子周围的不同原子层内。这种特性导致了原子内部的大部分空间，也导致了物质世界可以有如此多的不同元素。

而玻色子则是粒子世界中的“群居粒子”，它们热衷于聚集在一起，共享相同的量子态。以光子为例，它们可以互相穿过，让光线得以不受阻碍地传播，而非四处散射。无论是费米子还是玻色子，都是由标准模型描述的在三维系统中的粒子。

大约40年前，有理论物理学家预测，在二维世界中可能存在一些包括任意子在内的新粒子。

二维世界和三维世界是有着本质上的不同的。假如在三维系统中有两个无法区分的粒子，一个粒子绕着另一个转，循环一周之后这个粒子就会回到起始位置。这个循环可以一直缩小到一个点上，从拓扑学的角度看，就好像这个粒子根本没有移动过一样。

○ 在三维系统中，一个循环可以收缩到一个点上。| 图片参考来源：5W Infographics / QuantaMagazine

但是在二维系统中，这种循环是无法在本身的拓扑形状不被破坏的前提下收缩到一个点上的。因此二维空间可以容纳这样一类奇异的粒子：一个粒子绕另一个粒子的循环，不等价于这个粒子一直停留在同一位置。

○ 在二维系统中，循环不能收缩到一个点上。| 图片参考来源：5W Infographics / QuantaMagazine

任意子就是这第三种粒子的其中一个例子。根据预测，任意子介于费米子和玻色子之间，它们既不会完全避开对方，也不会完全聚集起来，它们携带的电荷可以是比单电子少的分数。

物理学家可以从拓扑学的角度推测出任意子的存在，但一直以来，并没有直接的实验证据可以证明真的存在这样的系统。由于我们生活在三维的空间中，因此若想要寻找任意子，可以利用二维材料层在强磁场下的效应来进行。

在20世纪80年代初，科学家在实验中发现，被冷却到绝对零度的电子在施加了强磁场的二维材料中，表现出了奇异的特性——电子聚集在一起形成电荷仅为一个单位电荷的分数的准粒子。这便是所谓的“分数量子霍尔效应”。

1984年，物理学诺奖得主弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek）与另外两位作者发表了一篇著名的论文，指出这些准粒子就是任意子。这篇论文虽然影响深远，但是物理学家并不能确认，这些准粒子是否完全符合任意子的条件：从实验中并没能看到预期的介于费米子和玻色子之间的聚集行为。

2016年，来自莱比锡大学、哈佛大学、苏黎世联邦理工大学的三位物理学家描述了一个用于寻找任意子的实验装置，这是一种二维的微型粒子对撞机，小到必须使用电子显微镜来观测对撞机内部的运动。

○ 实验中用到的样品之一。| 图片来源：Manohar Kumar

在最新发表的研究中，物理学家H. Bartolomei、G. Fève等人就在实验室中创建了这样一个对撞机。对撞机由一个二维平面组成，这个二维平面被夹在层状材料之间，任意子就在这个二维平面内运动。研究人员制造了两个任意子流，并且让这两束粒子流在中心发生碰撞，然后沿着两条路径中的其中一条离开。

研究人员利用这个装置来观测两个不可区分的电子之间的碰撞所产生的结果。如果在这个装置中发生碰撞的是费米子，那么这些粒子在碰撞之后就会分道扬镳，沿着不同的路径离开；如果发生碰撞的玻色子，它们就会以聚集在一起的形式在同一出口处出现。

○ 从微型对撞机（如彩色扫描电子显微镜图像所示）获得的任意子存在的证据。任意子沿着由电极（黄色）决定的路径移动。两个任意子（蓝色球体）在中心处碰撞，从两边退出。| 图片来源：Manohar Kumar

通过测量对撞机内部的电流波动，研究人员观察到了轻微的聚集现象，而这种聚集的程度比如果是玻色子的情况少。这与对任意子的行为的理论预测完全一致，表明科学家在实验室中找到了证明任意子存在的直接证据。

这是里程碑式的发现。除了理论意义，任意子还有可能对构建更好的量子计算机带来更好的技术。当维尔泽克第一次用“任意子”这个词语来描述这种粒子时，他想表达的是对于这些既不完全像费米子，又不完全像玻色子的粒子来说，任何事情都可能发生。希望在不久的将来，它还将为我们带来更多惊喜。