南方科技大學(xué) 魯大為 編譯自Andrey Feldman. Physics World，2025，(3)：11)

本文選自《物理》2025年第4期

這種被稱為“仲粒子”(paraparticle)的新粒子具有迥異于玻色子與費米子的統(tǒng)計特性，理論預(yù)測它有可能在超冷原子體系中觀測到（譯者注：依據(jù)中國物理學(xué)會物理學(xué)名詞審定委員會于 2019 年修訂的《物理學(xué)名詞(第 3 版)》，parastatistics 規(guī)范譯名為“仲統(tǒng)計法”，故將符合該統(tǒng)計規(guī)律的“paraparticle”譯為“仲粒子”?！爸佟弊秩　安偈寮尽敝?，暗喻其統(tǒng)計性質(zhì)介于玻色子與費米子之間）。

Zhiyuan Wang 和 Kaden Hazzard 認為，仲粒子可能在超冷原子系統(tǒng)中涌現(xiàn)

美國萊斯大學(xué)的Kaden Hazzard與其前研究生、現(xiàn)就職于德國馬克·普朗克量子光學(xué)研究所的Zhiyuan Wang合作提出了一類名為“仲粒子”的新型粒子。他們的計算表明，仲粒子表現(xiàn)出的量子特性與人們熟知的玻色子(如光子)和費米子(如電子)存在本質(zhì)不同。該理論工作近期發(fā)表于Nature (2025，637：314)。

在量子力學(xué)中，粒子及準粒子(quasiparticle，凝聚態(tài)體系中呈現(xiàn)出的粒子集體激發(fā))的行為本質(zhì)上是概率性的，并由波函數(shù)描述。波函數(shù)決定了在特定狀態(tài)下找到粒子的可能性，這些狀態(tài)由諸如位置、速度、自旋等性質(zhì)定義。粒子的交換統(tǒng)計決定了當(dāng)兩個全同粒子交換彼此位置后其波函數(shù)的變化規(guī)律。

玻色子交換位置后，其波函數(shù)保持不變，故而允許多個玻色子占據(jù)相同的量子態(tài)。此特性是激光與超流現(xiàn)象的量子基礎(chǔ)。反之，費米子交換位置會引發(fā)波函數(shù)的符號翻轉(zhuǎn)，即從正變成負或從負變成正。這種反對稱性不允許費米子占據(jù)同一量子態(tài)，并由此衍生出泡利不相容原理。該原理不僅構(gòu)筑了原子的電子殼層結(jié)構(gòu)，更詮釋了元素周期律的本質(zhì)。

傳統(tǒng)理論認為，三維空間中僅允許兩種粒子統(tǒng)計，即基于玻色子的玻色—愛因斯坦統(tǒng)計和基于費米子的費米—狄拉克統(tǒng)計（譯者注：二維空間中還存在任意子分數(shù)統(tǒng)計）。該結(jié)論完全符合局域性（譯者注：發(fā)生于空間中某一點的事件不能瞬時影響遠距離之外的其他點）和因果律（譯者注：在任何參考系中都不能觀察到結(jié)果先于原因出現(xiàn)）等基本原理的要求。Hazzard 和 Wang突破這一認知框架，證明滿足局域性與因果律的新型仲統(tǒng)計在三維系統(tǒng)中同樣具有理論可行性?！爸倭Ｗ拥慕粨Q統(tǒng)計既不同于費米子的反對稱性，也區(qū)別于玻色子的對稱性，卻完全兼容局域性和因果律等基礎(chǔ)物理原理”，Hazzard強調(diào)。

仲粒子的特殊性源于其內(nèi)稟的隱藏參數(shù)。除位置、自旋等常規(guī)屬性外，仲粒子還需要引入額外自由度來完備描述其更加復(fù)雜的波函數(shù)和非平庸變換特性。這種結(jié)構(gòu)使得仲粒子能夠呈現(xiàn)出超越玻色子與費米子的交換統(tǒng)計特性，其統(tǒng)計行為近似介于兩者之間。例如，費米子無法占據(jù)同一量子態(tài)，但最多兩個仲粒子卻被允許共存于同一空間點位。這展現(xiàn)出一種介于費米子排他性與玻色子聚集性之間的某種“平衡”。

雖然自然界尚未發(fā)現(xiàn)具有仲統(tǒng)計特性的基本粒子，研究人員推測仲粒子可能會以準粒子形式涌現(xiàn)于人工量子系統(tǒng)。此機制類似于半導(dǎo)體中受激電子脫離價帶后形成的空穴。價帶中留下的空穴表現(xiàn)得像一個帶正電的粒子，其遷移行為主導(dǎo)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

超冷原子實驗平臺可能是另一種尋找仲粒子的途徑。他們正與實驗組合作來探索這種可能性?！拔覀冋噲D(在超冷原子體系中)尋找仲粒子，” Wang透露。在超冷原子實驗中，激光和磁場被用來捕獲和操控接近絕對零度的原子。在這些條件下，原子能夠模擬更為奇異的粒子行為。研究團隊希望此類實驗裝置能夠誘導(dǎo)出高維系統(tǒng)(如三維空間)中的仲粒子行為。不過，現(xiàn)階段的實驗設(shè)計仍需理論模型的進一步指導(dǎo)。

若得以驗證，仲粒子或?qū)ξ锢韺W(xué)及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生深遠影響。費米子和玻色子的統(tǒng)計性質(zhì)大大加深了人類對中子星穩(wěn)定性和超導(dǎo)現(xiàn)象等一系列問題的理解。類似地，仲粒子也可能解鎖人類對于量子世界的新認知。正如Hazzard所述：“費米統(tǒng)計解釋了材料的金屬和絕緣體分類，以及元素周期表的結(jié)構(gòu)。(基于玻色子的)玻色—愛因斯坦凝聚揭示了超流現(xiàn)象的本質(zhì)。仲統(tǒng)計可能孕育尚未知曉的物態(tài)，這令人充滿期待。”

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