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自己是自己的反粒子？找到「馬約拉納費米子」存在的確切證據

編按：2017/7/20 加州大學和史丹佛大學的團隊在《科學》（Science）期刊上發表研究，宣布找到馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的確切證據。這個研究的突破為何？和之前的「上帝粒子」希格斯玻色子又有什麽不同？這一切的一切，先讓我們從反粒子開始說起吧。

保羅?狄拉克（Paul Dirac）source：Wikimedia

時至今日，我們知道，所有粒子都有自己的反粒子。而且，粒子和其反粒子具有相同質量，卻攜帶相反電荷1。 除此之外，有些粒子比較獨特，它是自己的反粒子。

怎樣的粒子，才能成為自己的反粒子呢？

如前所述，粒子和反粒子擁有的電荷是相反的。所以，必須是電中性的粒子，才可能成為自己的反粒子。舉例來說，不帶電的光子和希格斯玻色子（Higgs boson），就是自己的反粒子。

然而，物理學家根據粒子的性質，將所有粒子分類成「自旋為整數的玻色子」和「自旋為半整數的費米子」。上述的光子和希格斯粒子，均是玻色子。1937 年，物理學家馬約拉納（Ettore Majorana）提出，費米子可以是自己的反粒子 ──現稱為馬約拉納費米子（Majorana Fermion），只不過，至今我們仍未發現其存在。

馬約拉納（Ettore Majorana）source：Wikimedia

在粒子物理標準模型中，唯一有可能是馬約拉納費米子的，只有中微子2。目前已有許多進行中的實驗，意在確認中微子是否真的是自己的反粒子。另一方面，在凝態物理領域，近年也陸續有研究團隊發表相關研究，希望能在實驗中創造出類似馬約拉納費米子的現象──只不過，觀測證據都不夠充分。

昨天（2017年7月20日），加州大學和史丹佛大學的團隊在知名期刊《科學》（Science）上發表文章〈Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure〉，宣佈發現馬約拉納費米子存在的確切證據。他們利用超導體和拓樸絕緣體製作出新的實驗裝置，成功觀測到期待的現象，顯示了馬約拉納費米子的存在。

嚴格來說，這個研究觀察到的馬約拉納費米子，並不是真正的馬約拉納費米子，而是一群電子在特別設計下，激發成為準粒子（quasiparticle）而表現出類似馬約拉納費米子的性質。自然界中，究竟存不存在基本的馬約拉納費米子仍是個問號。不過，藉由這個實驗，我們倒是可以肯定，能夠在實驗室人為地產生類似馬約拉納費米子的現象──這已經是實驗上的重要成就，而且可能具有許多應用上的潛力；如研究團隊領導者張首晟教授所言，這對未來建造量子電腦，將會有所幫助。

無論如何，這是人類在馬約拉納費米子的探索上，很重要的一步，也是實驗方法的創新。就讓我們拭目以待未來的發展與應用吧！

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