作者：孙杨，上海交通大学物理系天文台特聘教授，核天体物理中心联合主任。
马略拉纳费米昂的提案
80年前的1937年，意大利物理学家埃托雷马约拉纳(Ettore Majorana)在研究衰变理论时发现，假设中微子是自己的反粒子，衰变理论的所有结果都不会改变。
因此他建议属于费米子家族的中微子和反中微子是同一种粒子。这就是现在被称为的马约拉纳费米子（Majorana fermion）。马约拉纳费米子不同于寻常的费米子，例如人们熟知的电子。电子的反粒子是正电子，而电子和正电子是不同的粒子。目前的基本粒子中尚没有从实验上证实的马约拉纳费米子。而根据β衰变理论，中微子有可能是马约拉纳费米子。目前唯一知道的能够直接验证马约拉纳费米子的实验是核物理中的无中微子双β衰变（neutrinoless double-beta decay）。
中微子又来自何方？
这里所说的中微子来自原子核的一种自发变化过程：β衰变（beta decay）。β衰变使自然界中不稳定原子核趋向于稳定，使原子核处于一个更加适当的质子-中子比例。例如，如果衰变前的初始原子核（母核）中的质子太多，β衰变会把一个质子变成一个中子，同时发射出一个正电子和一个中微子。这个过程是正β衰变。同样，如果初始母核里的中子太多，β衰变将把一个中子变成一个质子，同时发射出一个电子（正电子的反粒子）和一个反中微子。这个过程叫做负β--衰变。
母核和子核是不同的原子核。和母核相比起来，子核一般更加稳定。正是由于这样的过程，自然界选择了那些地球上能够存在的元素以及各种元素之间的比例。美籍华裔物理学家吴健雄在1957年实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒就是利用了钴-60原子核的负β衰变，而β衰变放出的电子或正电子则是贝克勒尔和居里夫妇在19世纪末、20世纪初发现的放射性的一种。β衰变是个弱相互作用过程，每次β衰变的发生必然伴随一个中微子或反中微子的产生和释放。推而广之，双β衰变，例如接连两次负β衰变，必有两个电子和两个反中微子放出。
如何才能验证马约拉纳费米子存在？
双β衰变这个概念最初是由玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer，美籍德裔核物理学家，继居里夫人之后的第二位女诺贝尔物理奖得主）早在1935年提出的。寻常的两次负β衰变释放出两个电子和两个反中微子，这已经在实验中得到验证。容易推测，若中微子为马约拉纳费米子的话，则双β衰变也能够在不释放任何中微子的情况下完成，这个过程被称为无中微子双β衰变。
在无中微子双β衰变中只能看到一对电子或一对正电子，而看不到中微子的发射。最简单的理论表明，这是因为一正一反的两个中微子互相湮灭，等价于后一个核物理过程中吸收了由前一个释放出来的中微子。也就是说，如果实验上证明了无中微子双β衰变确实存在，则说明中微子可以是马约拉纳费米子。这是真正的马约拉纳费米子唯一可靠的实验验证。
为什么至今无法验证真正的马约拉纳费米子？
然而在马约拉纳预言80年后的今天，人们仍没有在实验上确信无中微子双β衰变是否存在。其原因是无中微子双β衰变在自然界中是极其稀有的事件。首先是这个过程只能发生在很少几个原子核中。其次是无中微子双β衰变是个极其缓慢的核过程，等待它自发地出现一次需要相当长的时间。这导致观测到的概率非常非常之小，因此实验极其困难。尽管如此，实验观测无中微子双β衰变一直是核物理研究最重要的领域之一，国际竞争非常激烈。
由此可见，目前所有寻求和发现的不是真正的马约拉纳费米子。马约拉纳在80年前预言的马约拉纳粒子还没有被实验证实，因为真正“捕获”到中微子的任何一点信号都是非常困难的事情。马约拉纳粒子的最终发现将帮助我们进一步认识宇宙的历史和未来、物质的起源和演化、以及自然界中元素的形成。另外，马约拉纳所建议的还是一种费米子，不是玻色子和费米子之外的第三类微观粒子。它是一种特殊的基本粒子，其反粒子就是它本身。不过“马约拉纳”已经被凝聚态物理借用来表示一类粒子（不是基本粒子，而是大量粒子和环境相互作用下产生的演生粒子或准粒子），这类粒子的特点是反粒子就是它本身。
编辑：婉珺
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