被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子決定了一些物質(zhì)具有的質(zhì)量，人們在大型粒子對撞機中似乎發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡;但還有一類粒子也很重要，它們是幫我們解開“暗物質(zhì)之謎”和“物質(zhì)存在之謎”的一把鑰匙，科學(xué)家甚至認(rèn)為，正是這種粒子可以回答——
要解答誰創(chuàng)造了宇宙這個問題，恐怕不得不提到一位古怪的人的名字。
上世紀(jì)30年代，意大利物理學(xué)界出了一位堪與費米齊名的天才，叫馬約拉納。費米的天才主要表現(xiàn)在實驗方面，而馬約拉納的天才則表現(xiàn)在理論方面，他們同屬一個團(tuán)體，兩人相得益彰,一時促成了意大利物理學(xué)的繁榮。
但馬約拉納是一個很古怪的人，他很少把自己的思想寫成論文，即便寫了，也塞在抽屜里，很少拿去發(fā)表。更加神秘的是，1938年3月，年僅32歲的馬約拉納突然失蹤了，此后再也沒有露面。
時隔70多年，國際物理學(xué)界依然在熱議和尋找“馬約拉納”，不過不是馬約拉納本人，而是一種以他的名字命名的粒子。這種粒子有一個特殊的身份，它既是物質(zhì)，又是反物質(zhì)，它集正反物質(zhì)于一身，如果找到了它，或許能夠幫助我們鑒別暗物質(zhì)——一種占宇宙總質(zhì)量85%以上的神秘物質(zhì)——的身份，甚至能夠幫助我們回答一個由來已久的謎團(tuán)：為什么宇宙中會存在物質(zhì)?
然而迄今，人們對于這種粒子的搜尋依然勞而無獲。有人認(rèn)為，馬約拉納粒子像中微子一樣，正以每秒數(shù)百萬計的速度呼嘯著穿過我們的身體;也有人說，我們將會在歐洲大型強子對撞機中找到它;但這些說法都缺少堅實的根據(jù)。
不難看出，馬約拉納粒子幾乎跟馬約拉納本人一樣神秘。
由于這種粒子集正反物質(zhì)于一身，很像我們中國人太極圖的樣子，它集陰陽于一身。我們把它稱為太極粒子。
這種未知的神秘粒子是馬約拉納對英國物理學(xué)家狄拉克所建立的一個方程做了微小的修正之后提出來的。
我們知道，20世紀(jì)初物理學(xué)上發(fā)生了一場由相對論和量子力學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的革命。但在最初的20多年，相對論和量子力學(xué)就像擁立山頭、各自為王的起義軍一樣，彼此獨立發(fā)展。直到1928年，狄拉克才通過一個方程把狹義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來(至于廣義相對論，至今還沒有跟量子力學(xué)統(tǒng)一)，用以描述電子以及其他費米子的行為。
狹義相對論和量子力學(xué)剛一“聯(lián)姻”，就產(chǎn)生了一個重要的成果：預(yù)言存在著一類反粒子。譬如，電子應(yīng)該有其反粒子(現(xiàn)在稱之為正電子)，兩者除了所帶電荷符號相反，其他性質(zhì)，諸如質(zhì)量、電量、自旋等等都完全一樣。1932年，美國物理學(xué)家安德生在實驗中捕獲了正電子，而且其性質(zhì)確如狄拉克所料。從此，反物質(zhì)的概念被大家廣為接受。
正反物質(zhì)的最迷人之處是兩者天生是冤家，盡管有句俗話說“不是冤家不聚頭”，可是這對冤家卻聚不得頭，一相遇就要“火并”，即在瞬間相互湮滅，轉(zhuǎn)化為純粹的能量。因為這一特征，正反物質(zhì)成了科幻小說取之不竭的材料。然而一個很大的宇宙之謎也隨之而來：出于對稱性的要求，在宇宙大爆炸之初，制造的正反物質(zhì)的量應(yīng)該是嚴(yán)格相等的;但倘若真如此，那么按理說，它們此后就會徹底湮滅，什么也不會剩下;可是，我們這個由正物質(zhì)構(gòu)成的世界，包括眾多的星系、恒星和行星，為何能保存至今呢?
在狄拉克最初的理論中，只有帶電荷的費米子才有反粒子。馬約拉納對狄拉克的理論做了一個微小的修正，把結(jié)論推廣到不帶電的費米子也擁有反粒子。比如，中子是費米子，而且不帶電，但中子也有它的反粒子——反中子，這已被后來的實驗所證實。
更有趣的是，馬約拉納還預(yù)言存在這樣一類費米子：它擁有“雙重人格”，既是粒子，又是反粒子，或者說，它集正反物質(zhì)于一身(從這一特點，我們不難推知，這類粒子肯定不帶電);要是兩個完全一模一樣的這類粒子相遇，它們就會像粒子遇到反粒子一樣，發(fā)生湮滅。這類費米子就叫“馬約拉納粒子”。
前文中，我們?yōu)槭裁匆粩鄰娬{(diào)馬約拉納粒子首先必須是費米子呢?這是因為，狄拉克的理論只適用于描述費米子，盡管馬約拉納后來對這個理論做了修正，但適用條件沒變，所以馬約拉納所做的預(yù)言也只適用于費米子;其次，在自然界，費米子是最普遍、最重要的一類粒子，迄今組成物質(zhì)的基本單元，包括夸克和輕子(像電子、μ子等質(zhì)量很小，不參與強核力作用的粒子)，都是費米子，在它們中找到一種集正反物質(zhì)于一身的粒子，意義才重大。
不過，在閱讀前文的時候，你可能對這個條件不加注意，卻被馬約拉納粒子“自己人跟自己人作對”的這一罕見特征所吸引，甚至懷疑有著這種荒唐行徑的粒子會不會存在。
告訴你吧，倘若撇開費米子這一要求，那么集正反粒子于一身，并會彼此“火并”的粒子，在自然界其實早就有了。
比如，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型也預(yù)言，任何粒子，不論帶不帶電，都有其反粒子，而那些傳遞相互作用的粒子——玻色子，倘若不帶電(因為傳遞弱核力的玻色子就有帶電的)，其反粒子就是它自身;當(dāng)這樣兩個完全一式一樣的玻色子相遇，就要發(fā)生湮滅。符合這個條件的粒子目前有：傳遞電磁力的光子，傳遞強核力的膠子，設(shè)想中傳遞引力的引力子，傳遞弱核力的Z0以及最近發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子。
舉例來說，不帶電、靜止質(zhì)量為零的光子，其反粒子就是它自身。在一些非常罕見的條件下，兩個光子迎頭相碰，就要相互湮滅，轉(zhuǎn)化為純粹的能量，只是湮滅后的能量將又以一個能量更高的光子的形式釋放出來。你或許會追問，我們周圍到處充斥著光子，為什么兩個光子相遇還非常罕見呢?這是因為光子時刻在做高速運動，很難聚集成團(tuán)，它們在空間的分布實際上是非常稀疏的，剛好相遇的情況還是很罕見的。
所以，倘若沒有費米子這一要求，那么光子就可以稱得上是馬約拉納粒子，其他幾種傳遞相互作用、不帶電的玻色子很可能也是。
但是，所要求于馬約拉納粒子的，恰恰第一條就是“費米子”。而目前在所有費米子里面，還沒有一種粒子符合“集正反物質(zhì)于一身”這一特征。所以，到底有沒有馬約拉納粒子才引起物理學(xué)家的興趣。
在所有已知的基本粒子中，中微子是馬約拉納粒子最熱門的候選者。中微子是核反應(yīng)中的“?？汀保@種粒子質(zhì)量很小，又非?！肮缕А薄Ｋ鼈儾粎⒓訌姾肆碗姶帕Φ淖饔?，換句話說，幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生作用，所以它們很難被探測到，我們對中微子至今了解得還不多。
目前在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是一種不帶電的費米子，它總共有三類：一類是電子型中微子，一類是μ子型中微子，還有一類是τ子型中微子。三類中微子又各有自己的反中微子。中微子和反中微子是不同的粒子。
對于中微子的分類，已有實驗證實;但對于“中微子和反中微子是不同的粒子”這一點，目前還只是理論上的推測。
但是，另有一些理論暗示，這種推測可能是錯覺，中微子和反中微子很可能是同一種東西。換句話說，中微子很可能就是集正反物質(zhì)于一身的馬約拉納粒子。
要想確定中微子是否就是馬約拉納粒子，唯一的辦法就是讓兩個同類型的中微子相撞，看看它們是否會相互湮滅。遺憾的是，中微子非?！肮缕А?，讓中微子與大團(tuán)的物質(zhì)相遇，它尚且如入無物之境，更遑論讓兩個非常小的中微子彼此碰頭了。
具體到實驗上，那就是觀察一類不產(chǎn)生中微子的雙-β衰變。通常情況下，每一次β衰變都要發(fā)射一個反中微子，但是某些原子核會連續(xù)發(fā)生兩次β衰變，每一次都發(fā)射出一個反中微子。這就是雙-β衰變。一般來說，雙-β衰變要發(fā)射2個反中微子，但假如中微子是馬約拉納粒子，中微子和反中微子是一回事，那么讓這兩個反中微子相遇，就有可能相互湮滅，雙-β衰變的結(jié)果中就不會有中微子產(chǎn)生。
當(dāng)然，這項實驗遠(yuǎn)比姜太公釣魚還需要耐心。倘若中微子真是馬約拉納粒子，那么據(jù)估算，一個能夠發(fā)生雙-β衰變的原子核中，平均大約每1025年才會發(fā)生一次不產(chǎn)生中微子的雙-β衰變。2001年，德國和俄羅斯的一個聯(lián)合小組報道，他們對鍺-76原子核持續(xù)觀察了10年，終于觀察到了這樣一個事例。但因這種實驗一時根本無法重復(fù)，其結(jié)果至今還遭受質(zhì)疑。
2012年，來自4個國家的100多名物理學(xué)家云集美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，準(zhǔn)備建造一個馬約拉納探測器，對1噸左右的鍺-76進(jìn)行跟蹤觀測，看看能否重復(fù)出上述的結(jié)果。
也有人寄希望于歐洲大型強子對撞機。2012年7月，科學(xué)家宣布在強子對撞機找到了已經(jīng)“久仰”的希格斯粒子。下一步，他們將驗證超對稱理論。
超對稱理論預(yù)言，標(biāo)準(zhǔn)模型粒子表中的每一個粒子，都有一個重得多、迄今未被發(fā)現(xiàn)的“超對稱伙伴”。費米子的超對稱伙伴是玻色子，玻色子的超對稱伙伴是費米子。超對稱就是費米子和玻色子形成一一對應(yīng)的意思。
拿最近發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子來說，它是一種不帶電荷的玻色子，它的超對稱伙伴就應(yīng)該是不帶電荷的費米子(暫且稱之為超對稱希格斯粒子)。希格斯粒子的反粒子是它本身，那么超對稱希格斯粒子的反粒子也應(yīng)該是它本身。由于超對稱希格斯粒子是費米子，所以，它很可能就是馬約拉納粒子，兩個超對稱希格斯粒子相遇，就會相互湮滅。
還有一種叫“弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)”的超對稱粒子，目前被科學(xué)家認(rèn)為組成了神秘的暗物質(zhì)(見我刊2012年11期《宇宙“黑暗帝國”的主力軍》一文)，這種粒子很可能也是馬約拉納粒子。若果真如此，這種粒子的相互湮滅就可以解釋目前在宇宙線中觀測到的某些反?，F(xiàn)象。
當(dāng)然了，眼下通過在強子對撞機上尋找超對稱粒子還宛如霧里看花，要它去尋找馬約拉納粒子，更如畫餅。我們不妨換個話題，來談?wù)勸R約拉納粒子如何能解釋物質(zhì)的存在之謎。
我們不妨設(shè)想在宇宙大爆炸的早期，存在一種不帶電的高能費米子，倘若這種粒子和它的反粒子是完全不同的兩類粒子，它們在大爆炸中產(chǎn)生的量嚴(yán)格相等，那么此后，隨著宇宙溫度下降，它們將各自衰變成其他物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子，這些正反物質(zhì)粒子的量也將嚴(yán)格相等，這樣一來，這些正反物質(zhì)到頭來還是要相互湮滅，什么也不會剩下。
但是，倘若這種粒子是馬約拉納粒子，情況就不同了。因為這種粒子既是物質(zhì)粒子，又是反物質(zhì)粒子，它在衰變的時候，可以任意地衰變成其他的物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子。物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子的數(shù)量沒必要非得嚴(yán)格相等，于是，只要衰變成的物質(zhì)粒子比反物質(zhì)粒子稍多那么一點點，那么等到該湮滅的都湮滅了之后，剩余的物質(zhì)粒子依然足可形成星系、恒星和行星，一句話，形成我們這個由物質(zhì)組成的世界。
有意思的是，2012年6月，美國物理學(xué)家在超導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)了“準(zhǔn)”馬約拉納粒子的蹤跡?！皽?zhǔn)”的意思就是它并非粒子物理學(xué)意義上的馬約拉納粒子，但它的表現(xiàn)卻符合馬約拉納粒子的特征。就好比前些年人們制造的聲學(xué)黑洞，它并非真正意義上的黑洞，但其表現(xiàn)卻很像黑洞。
我們知道，正反粒子相遇要彼此湮滅，所以，一個真實的正電子倘若闖進(jìn)充滿無數(shù)電子的物體時，就會立刻“一命歸西”。但在超導(dǎo)體中，卻有一類“正電子”，能安全地棲身在周圍電子的海洋中。這種“正電子”就是空穴。
在超導(dǎo)體中，空穴原本是由電子占據(jù)的“坑”。我們知道，電子帶1個單位的負(fù)電荷，但超導(dǎo)體整體不帶電，所以不妨設(shè)想，每個空穴帶1個單位的正電荷，這樣兩相中和，超導(dǎo)體呈電中性。當(dāng)超導(dǎo)體通上電時，電子像聽到?jīng)_鋒號吹響的士兵一樣，從空穴中跳出來，在原來的位置，就單留下了帶正電的空穴;前進(jìn)中的電子倘若不小心掉進(jìn)別人留下的空穴，那么，那個位置又呈電中性了。這一切都跟正反電子湮滅很相似。所以，從很多方面看，超導(dǎo)體中的空穴很像正電子。
空穴的行為與正電子酷肖，這讓科學(xué)家制造“準(zhǔn)”馬約拉納粒子成為可能。假如說，我們能夠把半個電子和半個空穴結(jié)合起來，理論上就獲得了一個總電量為零的費米子，其反粒子就是它自身，那么它就是一個“準(zhǔn)”馬約拉納粒子。
“等一等!電子是一種基本粒子，我們似乎不能把它分割成一半吧?”
這么說沒有錯，但是在超導(dǎo)體的神奇世界里，什么事情都可能發(fā)生。想必大家都見過體育館里的人浪，不同座位的人站起來又坐下去，人浪作為一個整體此起彼伏。在超低溫條件下，電子和空穴已經(jīng)喪失了自己固有的一些特點，超導(dǎo)體里的電子和空穴也像人浪一樣，它們的運動表現(xiàn)出波的性質(zhì)，能夠毫無阻礙地在超導(dǎo)體中像波一樣穿梭而過。這樣的性質(zhì)讓人們有機會“分割”電子。
2010年，制造“準(zhǔn)”馬約拉納粒子的工作取得了重要進(jìn)展。首先，科學(xué)家對超導(dǎo)體里的電子進(jìn)行了限制，讓它們只能在一維的方向上運動。然后，科學(xué)家生生地截斷電子的運動。我們知道，如果在體育館的看臺上拉上一根繩子，讓人浪到這根繩子處就截止，就會出現(xiàn)一個人浪的“截面”。同樣道理，當(dāng)超導(dǎo)體里運動的波被截斷時，在斷裂的點位處，就出現(xiàn)了一些古怪的東西——半個電子和半個空穴的合體。這樣一來，就出現(xiàn)了“準(zhǔn)”馬約拉納粒子，它們既包含了部分電子，又包含了部分空穴。
通過這個辦法，2012年兩位美國科學(xué)家宣稱發(fā)現(xiàn)了“準(zhǔn)”馬約拉納粒子的蹤跡。遺憾的是，超導(dǎo)體中出現(xiàn)的“準(zhǔn)”馬約拉納粒子還不穩(wěn)定，他們還不敢最終斷言。不過，理論上已經(jīng)證明，“準(zhǔn)”馬約拉納粒子存在是不成問題的。
倘若在超導(dǎo)材料中找到了“準(zhǔn)”馬約拉納粒子，那么我們就更有理由相信，真實的馬約拉納粒子在自然界中也應(yīng)該存在?？赡苷沁@個神秘家伙創(chuàng)造了現(xiàn)在的宇宙，它終于要露出它的真面目了。
