量子物理新突破！「副粒子」可能成為第三種基本粒子

2021年疫情期間，萊斯大學研究生王志遠在閒暇時研究一個奇特的數學問題時，意外發現了一種全新的量子粒子可能性。這種被稱為「副粒子」(paraparticles)的奇特存在，既不屬於構成物質的費米子，也不屬於傳遞作用力的玻色子，可能成為量子世界的「第三勢力」。

當時王志遠將這個意外發現告訴指導教授Kaden Hazzard時，教授雖然半信半疑，但仍鼓勵他全力投入研究。如今已是德國馬克斯·普朗克量子光學研究所博士後研究員的王志遠，與Hazzard教授在今年1月的《自然》期刊發表論文，正式提出副粒子理論。

傳統量子物理將基本粒子分為兩大類：費米子與玻色子。費米子（如電子）具有「不相容原理」，無法佔據相同量子態；玻色子（如光子）則可以大量聚集在同一狀態。這兩類粒子的區別在於交換位置時量子態的變化：費米子會獲得負號，玻色子則保持不變。

然而量子理論其實容許更複雜的變化形式。副粒子的特別之處在於，當它們交換位置時，會產生無法直接測量的「隱藏狀態」變化。這就像是兩顆副粒子原本分別是紅色和藍色，交換後可能變成綠色和黃色。這種特性使副粒子的行為介於費米子和玻色子之間：它們可以有限度地共享量子態，既不像玻色子那樣無限制聚集，也不像費米子完全排斥。

維也納量子光學與量子資訊研究所的Markus Müller團隊則從另一個角度研究副粒子。他們發現，如果嚴格要求粒子在量子疊加態中也必須完全不可區分，那麼副粒子就不可能存在。這與王志遠團隊的理論其實並不矛盾，因為他們的副粒子模型確實放寬了某些假設條件。

如果副粒子真的存在，最可能的形式是某些量子材料中產生的「準粒子」(quasiparticle)。研究人員認為，利用特定狀態的雷德堡原子(Rydberg atoms)有可能在實驗室中創造出副粒子。賓州州立大學的實驗物理學家Bryce Gadway預測，未來幾年內就能在實驗中觀察到這種奇特粒子。

諾貝爾物理學獎得主、任意子(anyon)理論提出者Frank Wilczek表示，雖然目前副粒子還只是理論上的可能性，但它們可能為我們理解物質的基本組成開闢全新途徑。