一文读懂何为天使粒子

天使粒子也是马约拉纳费米子。它是一种费米子，它的反粒子就是它本身。

介绍天使粒子之前先介绍何为费米子？在一组由全同粒子组成的体系中，如果在体系的一个量子态（即由一套量子数所确定的微观状态）上只容许容纳一个粒子，这种粒子称为费米子。或者说自旋为半奇数（1/2，3/2…）的粒子统称为费米子，服从费米-狄拉克统计。

费米子满足泡利不相容原理，即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中。轻子，核子和超子的自旋都是1/2，因而都是费米子。自旋为3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是费米子。中子、质子都是由三种夸克组成，自旋为1/2。奇数个核子组成的原子核。因为中子、质子都是费米子，故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数。费米子（fermion）：费米子是依随费米-狄拉克统计、角动量的自旋量子数为半奇数整数倍的粒子。

费米子得名于意大利物理学家费米，遵从泡利不相容原理。根据标准理论，费米子均是由一批基本费米子组成的，而基本费米子则不可能分解为更细小的粒子。

天使粒子一般指马约拉纳费米子，马约拉纳费米子（英语：Majoranafermion）是一种费米子，它的反粒子就是它本身。与此相反，狄拉克费米子（Diracfermion）则是指反粒子与自身不同的费米子。

这一概念由埃托雷·马约拉纳于1937年提出，他对狄拉克方程式改写得到了马约拉纳方程式，可以描述中性自旋1/2粒子，因而满足这一方程的粒子为自身的反粒子。马约拉纳费米子与狄拉克费米子之间的区别可以用二次量子化的产生及湮没算符表示。

除了中微子以外，所有标准模型的费米子的物理行为在低能量状况与狄拉克费米子雷同（在电弱对称性破坏后），但是中微子的本质尚未确定，中微子可能是狄拉克费米子或马约拉纳费米子。在凝聚体物理学里，马约拉纳费米子以准粒子激发的形式存在于超导体里，它可以用来形成具有非阿贝尔统计的马约拉纳束缚态。

基本粒子中尚无已知的马约拉纳费米子。不过现在对于中微子的本质仍缺乏了解，它有可能是马约拉纳费米子或狄拉克费米子。如果中微子确为马约拉纳费米子，那便可能出现双重β衰变，目前已有实验在寻找这类衰变的踪迹。

超对称模型中假想的超中性子（neutralino）为马约拉纳费米子。

目前的基本粒子中尚无已知的马约拉纳费米子。不过现在对于中微子的本质仍缺乏了解，它有可能是马约拉纳费米子或狄拉克费米子。无中微子双β衰变可以视为一种双β衰变事件，在这事件中，假若中微子确为马约拉纳费米子，则产生的两个中微子会立刻相互湮没，因为它们彼此都是对方的反粒子。目前已有实验在寻找这类衰变的踪迹。

在强子对撞机里，无中微子双β衰变过程的高能量类比是同正负号带电轻子对的产生。大型强子对撞机的超环面仪器与紧凑μ子线圈正在寻找这类事件。在手征对称性理论里，这两种过程之间存在着深厚的关连。根据翘翘板机制，一种最为学术界接受的对于为什么中微子质量会如此微小的解释，中微子是个天然的马约拉纳费米子。

马约拉纳费米子不能拥有电矩或磁矩，只能拥有环矩。由于与电磁场的相互作用非常微小，它是冷暗物质的可能候选。超对称模型中假想的中性微子是马约拉纳费米子。

2008年，张首晟理论就预言了量子反常霍尔效应，这一预言在2013年被清华大学教授薛其坤领衔的清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队证实。在实验中，随着调节外

磁场，反常量子霍尔效应薄膜呈现出量子平台，对应着1、0、-1倍基本电阻单位e2/h。也就是说，量子世界里的电阻是量子化的，它只能整数倍地跳台阶。

这给了张首晟一个灵感：马约拉那费米子是通常粒子的一半，既然通常的粒子按整数跳，马约拉那费米子或许就是按半整数跳--它一定会呈现出一个奇特的、“1/2的台阶”。

由此，他预言手性马约拉那费米子存在于一种由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件中。当把普通超导体置于反常量子霍尔效应薄膜之上时，临近效应使之能够实现手性马约拉那费米子，相应的实验中会多出全新的量子平台，对应1/2倍基本电阻单位e2/h。

张首晟团队提出的搜寻马约拉那费米子的实验平台：由量子反常霍尔效应薄膜和普通超导体薄膜组成的混合器件。

在后续的实验验证中，激动人心的成果出现了：王康隆等实验团队确实看到了“1/2的台阶”。这半个基本电阻来源于马约拉那费米子作为半个传统粒子的特殊性质，因此，多出来的半整数量子平台为手性马约拉那费米子的存在提供了有力的印证。

王康隆实验团队等在与张首晟理论团队合作下所测量到的与理论预测符合的半量子电导平台，这为马约拉那费米子的发现提供了直接而有力的实验证据。