探索凝聚态中的马约拉纳粒子专题编者按

正年轻的意大利理论物理学家马约拉纳在1937年研究狄拉克方程时,发现了一种奇异的粒子,其反粒子即其粒子本身.这种奇异粒子被后人称为马约拉纳粒子.在已知的基本粒子世界,除了中微子,都不是马约拉纳粒子(Majorana),而中微子是否是马约拉纳粒子尚待实验检测.最近以来,探     

二维高温超导体中马约拉纳零能模证据的发现

正1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)发现描述费米子基本运动的狄拉克方程在特定系数下可以给出实数波动方程解(可改写为马约拉纳方程),以此预言了一种不带电荷且反粒子是其自身的神奇费米子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)~([1])。此后80多年来,无数物理学家一直致力于寻找这类神秘莫测的马约拉纳费米子。在粒子物理领域,不带电的中微子被认为很可能是马约拉纳费米子,但至今仍未有定论。而在凝聚态物质中,预测也存在着符合马约     

揭开中微子和反中微子的马约拉纳神秘面纱——无中微子双贝塔衰变低温晶体量热器实验

中微子可能的马约拉纳粒子属性超出了目前标准模型的范畴,是粒子物理与核物理研究领域最重要的科学问题之一。无中微子双贝塔衰变(0vββ)实验是能够确定中微子马约拉纳属性的唯一途径。0vββ的发现可以揭示中微子绝对质量、轻子数破缺、物质—反物质不对称等一系列自然奥秘,是当今粒子物理与核物理研究的前沿课题。在探索无中微子双贝塔衰变的可选择实验方案中,低温晶体量热器具有高能量分辨率、高运行稳定性和低辐射本底的技术优势,成为新一代0vββ实验最具竞争力的探测器技术之一。文章首先介绍无中微子双贝塔衰变的研究历史,之后介绍低温晶体量热器及其最先进的代表——CUORE实验,最后展望关于我国锦屏地下实验室开展低温晶体量热器0vββ实验研究的前景。     

我国科学家捕获马约拉纳费米子

<正>中国科学家在实验室里成功捕捉到物理学家寻找多年的神秘粒子——马约拉纳费米子。1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳首先预言,在自然界中可能存在一类特殊的费米子,这种正反粒子同体的特殊费米子就像是两兄弟站在一起照镜子,它们的反粒子就是自己本身,这种费米子被称为"马约拉纳费米子"。但是要捕捉到该粒子却非常的困难,在近80年来众多的科学家做了大量的研究工作,却一直都未找到马约拉纳费米子存在     

无中微子双贝塔衰变：寻找马约拉纳中微子之路

无中微子双贝塔衰变是目前粒子物理与核物理学家积极寻找的一种极其稀有的原子核衰变模式。它的发现将验证中微子是否是其本身的反粒子,也就是通常指的马约拉纳费米子。同时这一物理过程破坏轻子数守恒,也可以为宇宙初期的正反物质不对称性提供重要的条件。鉴于其极重要的物理意义,国际上多个实验组利用不同的探测器技术,在多种不同的目标同位素中寻找这一突破粒子物理标准模型的稀有衰变。目前主流实验还未发现确定的无中微子双贝塔衰变信号,但对其半衰期的限制已经达到了1026年量级。国内近期也开展了一系列预研实验,期望在未来几年内可以确定一到两个切实可行的实验方案,开展吨级实验。     

Higgs粒子初露端倪

最近几年 ,全世界的粒子物理学家都会注视位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心ＣＥＲＮ的大型电子正电子对撞机ＬＥＰ寻找Ｈｉｇｇｓ粒子的实验结果 .粒子物理的标准模型认为 ,构成物质的最小单元是轻子和夸克 .共有 6种轻子 ,它们是电子和电子中微子、μ子和 μ中微子、τ子和τ中微子 ;6种夸克 ,它们是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克 .传递相互作用的粒子是光子、中间玻色子(Ｗ ,Ｗ-,Ｚ0 )和胶子 .而由于存在Ｈｉｇｇｓ粒子 ,产生真空对称性的自发破缺 ,上述所有有质量的粒子的质量都是通过与Ｈｉｇｇｓ场相互作用而获得的…     

中微子物理若干前沿问题

 在过去的几年间,大量的实验结果已经表明中微子有非零质量以及轻子味混合。这一进展为我们打开了一个全新的值得探索的基本粒子世界。关于中微子我们已经知道了多少,我们想要发现什么?本文将从理论与唯象的观点进行阐述。目前中微子物理的前沿问题主要包括:中微子真的发生味转化吗?有几代中微子?存在惰性中微子吗?中微子的质量是多少?中微子是马约拉纳粒子还是狄拉克粒子?轻子味混合矩阵的混合角有多大?轻子味混合矩阵包含CP破坏位相吗?如果包含,那么在中微子振荡和无中微子双β衰变中,这些位相会导致可探测的CP破坏效应吗?     

费米子家族新成员——突破传统分类的三重简并费米子的实验发现

<正>1928年,著名理论物理学家狄拉克(Dirac)提出描述带有相对论效应电子态的狄拉克方程。第二年,外尔(Weyl)指出狄拉克方程无质量的解描述的是一对具有相反手性的新粒子,这就是外尔费米子。1937年,马约拉纳(Majorana)预言,当狄拉克方程加上反粒子是自身的限制条件后,则描述的是另一种类型的费米子,即马约拉纳费米子。根据目前的理论,在宇宙空间中,由于受到洛伦兹不变性的限制,仅存在以上三种类型的费     

高能物理学的进展

迄今为止,高能物理中已发现了数百种粒子.根据它们的性质,粒子可以分为三类:强子、轻子和媒介子.强子是参与强相互作用的粒子的总称,质子、中子、超子、π介子、K介子、J/ψ粒子等都属于这一类,此类粒子最多,占粒子种类的绝大部分.它们都是由层子或层子和反层子构成.轻子仅参与弱相互作用和电磁相互作用,不参与强相互作用,它们是电子、电子型中微子、μ子、μ型中微子、τ轻子、τ型中微子以及这些粒子的反粒子.媒介子是传递相互作用的粒子,如光子传递电磁相互作用;又如四年前发现的W±和Z0粒子是传递弱相互作用的中间玻色子;胶子是传递强…     

中微子质量之探索

 中微子是自旋为1/2的轻子,有电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不同形态。由于中微子不带电,仅参与弱相互作用,不参与强相互作用和电磁相互作用,反应截面极小,所以很难在实验中观测到,对其质量的研究更是困难重重。探索中微子质量的意义中微子质量的研究对最微观的粒子物理规律和最宏观的天体物理、宇宙起源及演化都有重大意义,是探索粒子物理标准模型之外新物理的突破口与关键所在。在传统的粒子物理标准模型中,二分量中微子理论和轻子数守恒定律要求中微子静止质量为零。因为若中微子质量不为零,则根据爱因斯坦相对论,其速度必定低于光速,这样就会出现速度超过中微子的观察者。     

探寻马约拉纳费米子

正1937年,31岁的意大利科学家马约拉纳发表了一篇理论文章,预言自然界可能存在一种与其反粒子完全相同的特殊粒子,也就是马约拉纳费米子。一年之后,这位年轻的天才物理学家在一次度假途中神秘消失。此后近80年里,尽管江湖上各种传闻,各路物理界高手四处打探,他和他所预言的"马约拉纳费米子"一直渺无音讯,神秘无踪。在现代物理学家眼里,这个莫测的马约拉纳费米子不仅是一种重要的基本粒子——与超对称理论     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.     

美国费米国家实验室首次报道了τ中微子存在的直接证据

美国费米国家实验室于 2 0 0 0年 7月 2 1日正式宣布 :τ中微子的第一个直接证据已在该实验室和加速器实验中观察到了 .在粒子物理标准模型的“基本粒子周期表”(见表 1)中 ,物质粒子一共有 12个成员 ,包括 6个夸克(ｄ ,ｕ ,ｓ ,ｃ ,ｂ ,ｔ)和 6个轻子 (ｅ ,νｅ,μ ,νμ,τ ,ντ) .这些构成物质基本单元的粒子都是费米子 ,它们分成三代 ,一一对应 .其中全部 6个夸克和 5个轻子均已发现 ,唯独τ中微子迟迟没有露面 .虽然早在 2 5年前τ轻子发现之际 ,人们就确信应当存在着与之相应的τ中微子 ,如同电子有相应的电子中微子、μ子有相应的 …     

中微子六十年

 三、存在几种类型的中微子?前面我们介绍的中微子都是在电子的放射（β^&#177;衰变）和吸收（K-俘获）过程中产生的,这类中微子称为电子中微子,用ν_?（电子中微子）和（?）（电子反中微子）表示.除电子中微子外,后来还发现了μ子中微子和τ子中微子.50年代,人们逐步认识到,安德逊在1936年发现的粒子-μ子与电子有许多共同点:1)电子和其反粒子正电子的电荷分别为-1和+1,没有中性电子;μ^-子和其反粒子μ⁺的电荷也分别为-1和+1,没有中性的μ子;2)电子和正电子具有自旋1/2,μ^-和μ⁺的自旋也是1/2;3)正、负电子.     

太阳中微子失踪案和中微子振荡

 (续前)五、“中微子振荡”是物理学家的法宝按照粒子物理的标准模型,中微子质量为零,它们以光速运动。存在着3种不同类型(即3种“味”)的中微子:电子型中微子(记为νｅ),μ-中微子(记为νμ)和τ-中微子(记为ντ),它们之间彼此不相关,分别只同电子、μ轻子和τ轻子密切相关。不过,早在戴维斯等人公布首批氯探测器的探测结果的1968年,庞托科沃就提出了这3种“味”的中微子很有可能互相来回地转化,称为“中微子振荡”。在太阳内部的热核燃烧过程中产生的中微子都是νｅ。但它们在从太阳到地球的漫长行进过程中,νｅ不断地转化为νμ和ντ。     

中微子的静质量

中微子和它的反粒子──反中微子是一类很奇怪的基本粒子.它是宇宙中数量最多的一种粒子.宇宙中光子的数量大约是量子的 108倍,而中微子比光子还要多.可是,由于它与物质的相互作用很弱,很难对它作直接的观测,至今人们对它的基本性质还了解得很有限. 通常都认为它的静质量是零,因此以光速运动.它不仅不带电荷,而且没有磁矩.它不参与强相互作用和电磁相互作用,只有弱相互作用.世界上只有左旋的中微子(自旋方向与运动方向相反)和右旋的反中微子(自旋方向与运动方向相同),不存在右旋的中微子和左旋的反中微子.与电子、μ子和重轻子(子)相应,中微…     

探测到τ子型中微子存在的直接证据

 众所周知,按照粒子物理学标准模型和理论,物质应该由１２种基本粒子所构成,它们包括６种夸克和６种轻子。夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶６种。轻子包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。至１９９５年,科学家通过多种实验手段已先后陆续探测到了除τ子中微子以外的１１种基本粒子,２０００年又发现了τ子中微子存在的直接证据。１９７８年,美国斯坦福大学物理学家马丁·佩尔从实验上发现了τ轻子,表明了τ子中微子的存在,从而荣获１９９５年诺贝尔物理学奖。但由于τ子中微子不带电,又几乎不与周围物质相互作用,所以科学家很难直接探测到它。     

宇宙中的变色龙

正半个多世纪前,蓬泰科尔沃有两个至关重要的认识,它们是解决太阳中微子之谜的关键。第一个深刻的认识是,存在不止一种类型的中微子。他在检验一个被称为μ子的不稳定粒子的衰变时得出了这个结论。μ子属于轻子家族,这个家族中还有电子和中微子。轻子不参与强相互作用,它们是物质的基本构建模块。μ子也带负电荷,但质量是电子的约200倍,并且在其碎裂之前,只有一百万分之二秒的寿命。蓬泰科尔沃提出μ子     

中微子质量的起源

 日本东京大学的梶田隆章(T.Kajita)教授与加拿大女王大学的麦克唐纳(A.McDonald)教授分享了2015年的诺贝尔物理学奖,因为他们分别领导超级神冈实验和萨德伯里中微子观测站实验并发现了大气和太阳中微子振荡现象,该现象证明中微子具有静止质量。这一重大发现同时也表明粒子物理学标准模型并不完整,我们需要超出标准模型的新物理来解释中微子质量起源和轻子味混合。     

顶夸克为什么这么重?

 在费米实验室Tevatron质子-反质子对撞机上的CDF实验得到了第六味夸克(顶夸克)存在的证据(今年三月份,D0和CDF实验组同时宣布他们观测到了顶夸克--译者注),它使大家的注意力集中到了标准模型中的粒子的不寻常质量模式上。标准模型包含有三对夸克、三种带电轻子(电子、μ子和τ轻子)和其对应的三种中微子。夸克之间通过胶子“场”进行相互作用,同时也进行弱电相互作用。