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原理既不是费米子，也不是玻色子，发现粒子王国的第三类粒子


原理既不是费米子，也不是玻色子，发现粒子王国的第三类粒子
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?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 。
原理既不是费米子，也不是玻色子，发现粒子王国的第三类粒子
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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 。
原理既不是费米子，也不是玻色子，发现粒子王国的第三类粒子
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○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：5WInfographics/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 。
原理既不是费米子，也不是玻色子，发现粒子王国的第三类粒子
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○在二维系统中 ， 循环不能收缩到一个点上 。 |图片参考来源：5WInfographics/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 。
原理既不是费米子，也不是玻色子，发现粒子王国的第三类粒子
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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（FrankWilczek）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 。


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