​從以光速傳播的光子，到幽靈般的中微子，再到構建萬物的夸克和電子，在我們生活的三維世界中，所有的基本粒子都可以被劃分爲兩類：費米子和玻色子。然而，理論物理學家預測，在二維世界中，還存在着粒子王國的第三類粒子——任意子（anyon）。現在，一組法國的研究人員通過在實驗室中建造的一個微型對撞機，首次發現了第一個證明這種粒子存在的實驗證據。

在介紹任意子之前，讓我們首先來了解一下費米子和玻色子。

在粒子物理學的標準模型中，費米子是指自旋爲半整數（如1/2、3/2等）的粒子，它包括夸克和電子等；玻色子是自旋爲整數（0、1、2等）的粒子，包括含光子、膠子、希格斯玻色子等粒子。

在粒子世界中，費米子就好似是“社交恐懼症”重症患者——兩個費米子永遠不會佔據相同的量子態。以電子爲例，它們會被迫使處於一個原子周圍的不同原子層內。這種特性導致了原子內部的大部分空間，也導致了物質世界可以有如此多的不同元素。

而玻色子則是粒子世界中的“羣居粒子”，它們熱衷於聚集在一起，共享相同的量子態。以光子爲例，它們可以互相穿過，讓光線得以不受阻礙地傳播，而非四處散射。無論是費米子還是玻色子，都是由標準模型描述的在三維繫統中的粒子。

大約40年前，有理論物理學家預測，在二維世界中可能存在一些包括任意子在內的新粒子。

二維世界和三維世界是有着本質上的不同的。假如在三維繫統中有兩個無法區分的粒子，一個粒子繞着另一個轉，循環一週之後這個粒子就會回到起始位置。這個循環可以一直縮小到一個點上，從拓撲學的角度看，就好像這個粒子根本沒有移動過一樣。

○ 在三維繫統中，一個循環可以收縮到一個點上。| 圖片參考來源：5W Infographics / QuantaMagazine

但是在二維繫統中，這種循環是無法在本身的拓撲形狀不被破壞的前提下收縮到一個點上的。因此二維空間可以容納這樣一類奇異的粒子：一個粒子繞另一個粒子的循環，不等價於這個粒子一直停留在同一位置。

○ 在二維繫統中，循環不能收縮到一個點上。| 圖片參考來源：5W Infographics / QuantaMagazine

任意子就是這第三種粒子的其中一個例子。根據預測，任意子介於費米子和玻色子之間，它們既不會完全避開對方，也不會完全聚集起來，它們攜帶的電荷可以是比單電子少的分數。

物理學家可以從拓撲學的角度推測出任意子的存在，但一直以來，並沒有直接的實驗證據可以證明真的存在這樣的系統。由於我們生活在三維的空間中，因此若想要尋找任意子，可以利用二維材料層在強磁場下的效應來進行。

在20世紀80年代初，科學家在實驗中發現，被冷卻到絕對零度的電子在施加了強磁場的二維材料中，表現出了奇異的特性——電子聚集在一起形成電荷僅爲一個單位電荷的分數的準粒子。這便是所謂的“分數量子霍爾效應”。

1984年，物理學諾獎得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）與另外兩位作者發表了一篇著名的論文，指出這些準粒子就是任意子。這篇論文雖然影響深遠，但是物理學家並不能確認，這些準粒子是否完全符合任意子的條件：從實驗中並沒能看到預期的介於費米子和玻色子之間的聚集行爲。

2016年，來自萊比錫大學、哈佛大學、蘇黎世聯邦理工大學的三位物理學家描述了一個用於尋找任意子的實驗裝置，這是一種二維的微型粒子對撞機，小到必須使用電子顯微鏡來觀測對撞機內部的運動。

○ 實驗中用到的樣品之一。| 圖片來源：Manohar Kumar

在最新發表的研究中，物理學家H. Bartolomei、G. Fève等人就在實驗室中創建了這樣一個對撞機。對撞機由一個二維平面組成，這個二維平面被夾在層狀材料之間，任意子就在這個二維平面內運動。研究人員製造了兩個任意子流，並且讓這兩束粒子流在中心發生碰撞，然後沿着兩條路徑中的其中一條離開。

研究人員利用這個裝置來觀測兩個不可區分的電子之間的碰撞所產生的結果。如果在這個裝置中發生碰撞的是費米子，那麼這些粒子在碰撞之後就會分道揚鑣，沿着不同的路徑離開；如果發生碰撞的玻色子，它們就會以聚集在一起的形式在同一出口處出現。

○ 從微型對撞機（如彩色掃描電子顯微鏡圖像所示）獲得的任意子存在的證據。任意子沿着由電極（黃色）決定的路徑移動。兩個任意子（藍色球體）在中心處碰撞，從兩邊退出。| 圖片來源：Manohar Kumar

通過測量對撞機內部的電流波動，研究人員觀察到了輕微的聚集現象，而這種聚集的程度比如果是玻色子的情況少。這與對任意子的行爲的理論預測完全一致，表明科學家在實驗室中找到了證明任意子存在的直接證據。

這是里程碑式的發現。除了理論意義，任意子還有可能對構建更好的量子計算機帶來更好的技術。當維爾澤克第一次用“任意子”這個詞語來描述這種粒子時，他想表達的是對於這些既不完全像費米子，又不完全像玻色子的粒子來說，任何事情都可能發生。希望在不久的將來，它還將爲我們帶來更多驚喜。

參考來源：

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/173

https://www.quantamagazine.org/milestone-evidence-for-anyons-a-third-kingdom-of-particles-20200512/

https://www.sciencenews.org/article/collisions-reveal-new-evidence-anyon-quasiparticles-existence

https://phys.org/news/2020-04-anyon-evidence-tiny-collider.html

封面圖來源：Manohar Kumar