被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子決定了一些物質具有的質量，人們在大型粒子對撞機中似乎發現了它的蹤跡;但還有一類粒子也很重要，它們是幫我們解開“暗物質之謎”和“物質存在之謎”的一把鑰匙，科學家甚至認為，正是這種粒子可以回答——
神秘的人，神秘的粒子
要解答誰創造了宇宙這個問題，恐怕不得不提到一位古怪的人的名字。
上世紀30年代，意大利物理學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在實驗方面，而馬約拉納的天才則表現在理論方面，他們同屬一個團體，兩人相得益彰,一時促成了意大利物理學的繁榮。
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，也塞在抽屜裡，很少拿去發表。更加神秘的是，1938年3月，年僅32歲的馬約拉納突然失蹤了，此後再也沒有露面。
時隔70多年，國際物理學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，又是反物質，它集正反物質於一身，如果找到了它，或許能夠幫助我們鑑別暗物質——一種佔宇宙總質量85%以上的神秘物質——的身份，甚至能夠幫助我們回答一個由來已久的謎團：為什麼宇宙中會存在物質?
然而迄今，人們對於這種粒子的搜尋依然勞而無獲。有人認為，馬約拉納粒子像中微子一樣，正以每秒數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。
不難看出，馬約拉納粒子幾乎跟馬約拉納本人一樣神秘。
太極粒子的由來
由於這種粒子集正反物質於一身，很像我們中國人太極圖的樣子，它集陰陽於一身。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家狄拉克所建立的一個方程做了微小的修正之後提出來的。
我們知道，20世紀初物理學上發生了一場由相對論和量子力學領導的革命。但在最初的20多年，相對論和量子力學就像擁立山頭、各自為王的起義軍一樣，彼此獨立發展。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統一起來(至於廣義相對論，至今還沒有跟量子力學統一)，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剛一“聯姻”，就產生了一個重要的成果：預言存在著一類反粒子。譬如，電子應該有其反粒子(現在稱之為正電子)，兩者除了所帶電荷符號相反，其他性質，諸如質量、電量、自旋等等都完全一樣。1932年，美國物理學家安德生在實驗中捕獲了正電子，而且其性質確如狄拉克所料。從此，反物質的概念被大家廣為接受。
正反物質的最迷人之處是兩者天生是冤家，儘管有句俗話說“不是冤家不聚頭”，可是這對冤家卻聚不得頭，一相遇就要“火併”，即在瞬間相互湮滅，轉化為純粹的能量。因為這一特徵，正反物質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：出於對稱性的要求，在宇宙大爆炸之初，製造的正反物質的量應該是嚴格相等的;但倘若真如此，那麼按理說，它們此後就會徹底湮滅，什麼也不會剩下;可是，我們這個由正物質構成的世界，包括眾多的星系、恆星和行星，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，這已被後來的實驗所證實。
更有趣的是，馬約拉納還預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，它集正反物質於一身(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，發生湮滅。這類費米子就叫“馬約拉納粒子”。
為何神秘粒子必須是費米子?
前文中，我們為什麼要不斷強調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於描述費米子，儘管馬約拉納後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言也只適用於費米子;其次，在自然界，費米子是最普遍、最重要的一類粒子，迄今組成物質的基本單元，包括夸克和輕子(像電子、μ子等質量很小，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於一身的粒子，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註意，卻被馬約拉納粒子“自己人跟自己人作對”的這一罕見特徵所吸引，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，那麼集正反粒子於一身，並會彼此“火併”的粒子，在自然界其實早就有了。
比如，粒子物理學標準模型也預言，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;當這樣兩個完全一式一樣的玻色子相遇，就要發生湮滅。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，設想中傳遞引力的引力子，傳遞弱核力的Z0以及最近發現的希格斯粒子。
舉例來說，不帶電、靜止質量為零的光子，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，轉化為純粹的能量，只是湮滅後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，為什麼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，它們在空間的分佈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，那麼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，所要求於馬約拉納粒子的，恰恰第一條就是“費米子”。而目前在所有費米子裡面，還沒有一種粒子符合“集正反物質於一身”這一特徵。所以，到底有沒有馬約拉納粒子才引起物理學家的興趣。
中微子是不是太極粒子?
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。中微子是核反應中的“常客”，但這種粒子質量很小，又非常“孤僻”。它們不參加強核力和電磁力的作用，換句話說，幾乎不與普通物質發生作用，所以它們很難被探測到，我們對中微子至今瞭解得還不多。
目前在粒子物理學的標準模型中，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。
對於中微子的分類，已有實驗證實;但對於“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於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，中微子非常“孤僻”，讓中微子與大團的物質相遇，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生中微子的雙-β衰變。通常情況下，每一次β衰變都要發射一個反中微子，但是某些原子核會連續發生兩次β衰變，每一次都發射出一個反中微子。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，那麼讓這兩個反中微子相遇，就有可能相互湮滅，雙-β衰變的結果中就不會有中微子產生。
當然，這項實驗遠比姜太公釣魚還需要耐心。倘若中微子真是馬約拉納粒子，那麼據估算，一個能夠發生雙-β衰變的原子核中，平均大約每1025年才會發生一次不產生中微子的雙-β衰變。2001年，德國和俄羅斯的一個聯合小組報道，他們對鍺-76原子核持續觀察了10年，終於觀察到了這樣一個事例。但因這種實驗一時根本無法重複，其結果至今還遭受質疑。
2012年，來自4個國家的100多名物理學家雲集美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，準備建造一個馬約拉納探測器，對1噸左右的鍺-76進行跟蹤觀測，看看能否重複出上述的結果。
暗物質之謎和物質存在之謎
也有人寄希望於歐洲大型強子對撞機。2012年7月，科學家宣佈在強子對撞機找到了已經“久仰”的希格斯粒子。下一步，他們將驗證超對稱理論。
超對稱理論預言，標準模型粒子表中的每一個粒子，都有一個重得多、迄今未被發現的“超對稱夥伴”。費米子的超對稱夥伴是玻色子，玻色子的超對稱夥伴是費米子。超對稱就是費米子和玻色子形成一一對應的意思。
拿最近發現的希格斯粒子來說，它是一種不帶電荷的玻色子，它的超對稱夥伴就應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，那麼超對稱希格斯粒子的反粒子也應該是它本身。由於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“弱相互作用大質量粒子(WIMP)”的超對稱粒子，目前被科學家認為組成了神秘的暗物質(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常現象。
當然了，眼下通過在強子對撞機上尋找超對稱粒子還宛如霧裡看花，要它去尋找馬約拉納粒子，更如畫餅。我們不妨換個話題，來談談馬約拉納粒子如何能解釋物質的存在之謎。
我們不妨設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，它們在大爆炸中產生的量嚴格相等，那麼此後，隨著宇宙溫度下降，它們將各自衰變成其他物質粒子和反物質粒子，這些正反物質粒子的量也將嚴格相等，這樣一來，這些正反物質到頭來還是要相互湮滅，什麼也不會剩下。
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粒子，又是反物質粒子，它在衰變的時候，可以任意地衰變成其他的物質粒子和反物質粒子。物質粒子和反物質粒子的數量沒必要非得嚴格相等，於是，只要衰變成的物質粒子比反物質粒子稍多那麼一點點，那麼等到該湮滅的都湮滅了之後，剩餘的物質粒子依然足可形成星系、恆星和行星，一句話，形成我們這個由物質組成的世界。
把電子劈成兩半
有意思的是，2012年6月，美國物理學家在超導體材料中發現了“準”馬約拉納粒子的蹤跡。“準”的意思就是它並非粒子物理學意義上的馬約拉納粒子，但它的表現卻符合馬約拉納粒子的特徵。就好比前些年人們製造的聲學黑洞，它並非真正意義上的黑洞，但其表現卻很像黑洞。
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充滿無數電子的物體時，就會立刻“一命歸西”。但在超導體中，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。
在超導體中，空穴原本是由電子佔據的“坑”。我們知道，電子帶1個單位的負電荷，但超導體整體不帶電，所以不妨設想，每個空穴帶1個單位的正電荷，這樣兩相中和，超導體呈電中性。當超導體通上電時，電子像聽到衝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;前進中的電子倘若不小心掉進別人留下的空穴，那麼，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，這讓科學家制造“準”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，那麼它就是一個“準”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?”
這麼說沒有錯，但是在超導體的神奇世界裡，什麼事情都可能發生。想必大家都見過體育館裡的人浪，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，電子和空穴已經喪失了自己固有的一些特點，超導體裡的電子和空穴也像人浪一樣，它們的運動表現出波的性質，能夠毫無阻礙地在超導體中像波一樣穿梭而過。這樣的性質讓人們有機會“分割”電子。
2010年，製造“準”馬約拉納粒子的工作取得了重要進展。首先，科學家對超導體裡的電子進行了限制，讓它們只能在一維的方向上運動。然後，科學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，就會出現一個人浪的“截面”。同樣道理，當超導體裡運動的波被截斷時，在斷裂的點位處，就出現了一些古怪的東西——半個電子和半個空穴的合體。這樣一來，就出現了“準”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年兩位美國科學家宣稱發現了“準”馬約拉納粒子的蹤跡。遺憾的是，超導體中出現的“準”馬約拉納粒子還不穩定，他們還不敢最終斷言。不過，理論上已經證明，“準”馬約拉納粒子存在是不成問題的。
倘若在超導材料中找到了“準”馬約拉納粒子，那麼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該存在。可能正是這個神秘傢伙創造了現在的宇宙，它終於要露出它的真面目了。
閱讀更多 大科技雜誌社 的文章
