標準模型還能堅持多久；美軍發佈2019年十大黑科技 | 一週科技速覽_風聞

**編輯 |**楊凌、陳航

****編譯 |顧淼飛、韓若冰、董唯元、太閣爾

目  錄

1. 標準模型還能堅持多久？

2. 基因對多數疾病的影響不足5%，包括多種癌症

3. 科學家開發出反鐵磁拓撲量子材料

4. “開啓”化學反應的新力量

5. 美軍發佈2019年十大黑科技

1 標準模型還能堅持多久？

和諧優雅的基本粒子標準模型，在漂亮的支撐了粒子物理學幾十年之後，隨着20年前中微子振盪的發現，其必然需要擴展修訂的局面已經無人懷疑。因為中微子振盪的事實暗示其具有非零的靜止質量，這與傳統標準模型並不兼容。

每當發現觀測事實與既有理論模型相沖突，相關研究者的熱情都會陡然高漲。近十幾年來，許多圍繞着標準模型該如何擴展的討論，一直是高能物理研究者持續關注的熱點，也因此湧現出不少為標準模型打補丁的新理論。BSM（Beyond Standard Model）和SME（Standard Model Extensions）已然成為學界專有詞彙，在理論和實驗兩方面都是最活躍的領域。

例如，解釋中微子質量問題較為主流的理論是“蹺蹺板機制”，這一理論不僅提供了中微子攜帶質量的理論描述，還同時解釋了右手性中微子缺失問題，以及為何左手性中微子質量比那些帶電的姊妹粒子要輕很多。可惜中微子質量實在過於微小，在較為精確的測定之前，蹺蹺板機制很難“實錘”。況且這個理論還要求中微子是馬約拉納粒子（反粒子就是自身的粒子），這也是一個目前尚無定論的猜測。

在實驗方面，LHCb的強子對撞實驗，以及其他的高能實驗，積累了大量數據寶藏，研究者從各個角度努力探尋着違背標準模型的跡象。2015年，LHCb實驗室的R. Aaij及其團隊，在分析先前積攢的質子對撞實驗數據時，發現Bs介子存在標準模型無法解釋的反常衰變**[1****]**。於是相關研究者的熱情被再一次點燃，各種BSM/SME理論紛紛湧現。

某種程度上講，Bs介子反常衰變比中微子振盪更令人興奮。因為原本中微子問題不牽扯電荷，而Bs介子的衰變產物是帶電的中微子親屬。於是很多研究者將二者聯繫起來，猜測弱荷（flavor，也稱粒子的“味”）破壞現象並非電中性粒子獨有，也許在其帶電的姊妹粒子身上也會出現。

中微子的那些帶電的親屬就是電子、μ子和τ子，這些粒子與中微子一起統稱為輕子。所以由Bs介子反常衰變引發的猜想，也被稱為LFV（Lepton-flavor Violation，輕子弱荷破壞）。在實驗數據公佈後的幾年裏，LFV絕對算是高能物理界最熱門的話題之一，許多相關論文紛紛發表**[2-5****]**。

隨後的幾年間，理論研究者由LFV延伸發展了更為一般性的猜測，那就是輕子家族各成員之間並不似標準模型所描寫的那樣平等兼愛。這一猜測被稱為Lepton- universality Violation，如果這一理論能夠得到實驗驗證，必將對標準模型做出自誕生以來最為重要的修改。

受到先前重要發現的鼓舞，R. Aaij團隊近幾年來一直在不斷的努力分析各種Bs介子衰變過程。

不難預想，明年這個團隊還會繼續發表其他排列組合的情況，其他研究者也都會繼續熱切關注着分析結論的發表。即使未來遍歷所有過程，仍未找到新的突破口，也絲毫不會動搖人們繼續完善標準模型的信心和希望。

[1] R. Aaij, et al. (LHCb Collaboration) “Search for the rare decays B0→J/ψγ and B0s→J/ψγ”. Physical Review D. 92 (11): 112002. (2015)

[2] S. L. Glashow, D. Guadagnoli, and K. Lane, Lepton Flavor Violation in B Decays? Phys. Rev. Lett. 114, 091801 (2015).

[3] D. Guadagnoli and K. Lane, Charged-lepton mixing and lepton flavor violation, Phys. Lett. B 751, 54 (2015).

[4] I. de Medeiros Varzielas and G. Hiller, Clues for flavor from rare lepton and quark decays, J. High Energy Phys. 06 (2015) 072.

[5] A. Crivellin, L. Hofer, J. Matias, U. Nierste, S. Pokorski, and J. Rosiek, Lepton-flavour violating B decays in generic Z0 models, Phys. Rev. D 92, 054013 (2015).

[6] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Test of lepton universality with B0→ K*0l+l-decays, J. High Energy Phys. 08 (2017) 055.

[7] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Search for Lepton- Universality Violation in B+ → K+l+l- Decays, Phys. Rev. Lett. 122, 191801 (2019).

[8] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), Search for Lepton-Flavor Violating Decays B+ → K+μ±e±，Phys. Rev. Lett. 123, 241802 (2019).DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.241802

2 基因對多數疾病的影響不足5%，包括多種癌症

加拿大阿爾伯塔大學的最新研究表明**[1****]**，在大多數情況下，個體的基因對於患某種疾病風險的影響不足5％。

目前已有大量研究考察了常見基因突變（也稱為單核苷酸多態性或SNP）與不同疾病和健康狀況之間的關係。科學家們分析了該領域二十年來的研究數據，完成了這項迄今規模最大的元分析，結果表明大多數人類疾病和遺傳學之間的聯繫並不顯著。

“簡單來説，DNA不是你的宿命，單核苷酸多態性也不是疾病的靠譜預測，”研究作者之一David Wishart説。“對於絕大多數疾病，包括多種癌症、糖尿病和阿爾茨海默氏病，遺傳的影響最多為5％至10％。”

該研究也強調了一些值得注意的例外，包括克羅恩氏病、乳糜瀉和黃斑變性，它們的遺傳影響約佔40％至50％。

Wishart解釋説：“儘管存在這些少有的例外，但越來越清楚的是，大多數疾病的風險來自於你的新陳代謝、環境、生活方式，以及和各種營養素、化學物質、細菌或病毒的接觸。”

Wishart和研究合作者建議，測定代謝物、化學物質、蛋白質或微生物組可為人類疾病風險提供更準確的度量，也有助於得出更準確的診斷。這一發現挑戰了許多現代基因測試的商業模式，這些服務曾提出基因測試可以準確預測某人患病的風險。

Wishart補充説：“這項研究還強調了我們需要了解環境，以及食物、空氣和水的安全性和質量。”

[1] Patron J, Serra-Cayuela A, Han B, et al. Assessing the performance of genome-wide association studies for predicting disease risk[J]. PloS one, 2019, 14(12).

3 科學家開發出反鐵磁拓撲量子材料

量子材料是現今世界範圍內非常熱門的研究方向之一。究其火爆的原因，主要是因為這種材料體現出眾多豐富的性質，例如磁性、超導特性、拓撲特性等，因而在信息處理、傳感、計算等領域有着非常廣闊的應用前景。特別是量子計算、量子霸權等字眼更是近年來頻頻佔領新聞的頭條。

量子材料的一大缺陷，就是其超凡性質往往需要非常苛刻的工作環境，例如超低温，極強磁場或者極強的壓強等等。這顯然不利於量子材料的應用。因此，科學家們近年來不斷嘗試，試圖讓量子材料在室温、常壓和不加磁場下也能獲得優良的特性。一種有望實現這一目標的材料叫做磁拓撲絕緣體 (Magnetic Topological Insulators，簡稱MTI) 。理論上的預測表明，這種材料或許足夠呈現出前所未見的量子特性，但是在實驗室製備這樣的材料卻異常困難。

閃耀着光輝的山峯永遠不缺乏執着的攀登者。Anna Isaeva博士是德國德累斯頓工業大學和萊布尼茲固體物理和材料研究中心的青年教授。她是量子材料合成和晶體生長的專家，她的課題組通過結合化學、物理和晶體學的知識，製備和研究出各種新型的量子材料。近年來，Isaeva博士所在的團隊與20個研究單位的40多位科學家一道，致力於開發新型的量子材料。通過與萊布尼茲固體物理和材料研究中心的Alexander Zeugner博士合作，Isaeva博士的團隊開發了一種量子材料的晶體生長方法，製備並表徵了本徵磁拓撲絕緣體MnBi2Te4，該成果已在《自然》雜誌發表**[1****]**。這種材料由三種元素錳、鉍、碲組成，其特別之處在於，傳統的磁拓撲絕緣體通常是採用3D過渡金屬對非磁拓撲絕緣體材料摻雜製得，這個過程會導致材料電磁性質的不均勻性。而MnBi2Te4的製備不需經過元素摻雜，是一種本徵反鐵磁拓撲絕緣體。這一點由來自西班牙多諾斯蒂亞國際物理中心的研究人員理論證明，而來自伍茲堡大學的團隊則通過譜學測量予以證實。

這項研究在科學上意義非凡。一塊磁拓撲絕緣體晶體的表面有一種邊緣態（Edge State），能夠在不加外磁場的情況下實現量子霍爾效應。除此之外，以上所介紹的反鐵磁拓撲絕緣體的材料的合成，為當今新興的反鐵磁自旋電子學（Spintronics）做出了很大的貢獻。另外，目前還有一種新興的磁學材料，叫做範德華材料。這種材料是片層狀的二維材料，層內原子由強的共價鍵連接，而層與層之間則存在較弱的範德華力，故得其名**[2****]**。二維的鐵磁材料（例如本文中介紹的MnBi2Te4）的開發對於範德華材料的發展也大有裨益。

Isaeva博士的團隊已經對合成新的量子材料的方法進行了進一步優化，從而能夠更容易的合成出MnBi2Te4單晶。全世界的研究人員也正在合力研究MnBi2Te4材料中存在的磁性和拓撲結構之間的相互作用。最近的研究表明，MnBi2Te4還有更多的與磁拓撲絕緣體相關的衍生結構。

Isaeva博士説：“我們正在目睹一類新的磁拓撲絕緣體的誕生，它們不依賴於磁摻雜的方法，而是通過本徵的磁化實現。對這一類材料的研究，目前全世界競爭非常激烈**[3****]**，相關學術論文如同雨後春筍一樣湧現出來。”僅Isaeva博士課題組，就已經在第一篇論文後接連發表了三篇文章。

[1] Otrokov M M, Klimovskikh I I, Bentmann H, et al. Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator[J]. Nature, 2019, 576(7787): 416-422.

[2] Two-dimensional van der Waals materials，Physics Today 69, 9, 38 (2016); doi: 10.1063/PT.3.3297

[3] 注：MnBi2Te4相關材料是近年來非常火爆的研究方向，中國學者在該領域也有着非常突出的貢獻。例如中科院物理所就報道了一項最新的相關工作：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1651333801627919146&wfr=spider&for=pc。其中，薛其坤教授所在的團隊也是這一材料作為磁拓撲絕緣體相關研究的開創者。

4 “開啓”化學反應的新力量

研究人員已經證實，利用機械力可以激發化學反應，而且，這是一種相較於傳統方法經濟性更高、應用更廣泛、對環境更友好的方法。

提高化學反應速率的最傳統的方法，是對反應物加熱。在過去的10年間，科學家也對光氧化還原催化劑展開了大量研究，這種催化劑能被可見光激活，讓化學反應實現更高的選擇性和效率。然而，這些反應通常需要使用大量的有機溶劑，所以只適用於可溶的反應物。壓電材料——例如鈦酸鋇——會在施以壓力的時候產生電勢，這也是它們被用於手機和打火機的原因。在一項發表於《科學》雜誌上的最新研究中**[1****]**，北海道大學化學反應設計與發現研究院的Hajimo Ito和Koji Kubota證明了壓電材料產生的電勢也可以用來活化化學反應。“在我們的反應體系中，我們用球磨機產生了機械力，機械力施加到壓電材料之後，成功活化了氧化還原反應。” Koji Kubota説。與“光”氧化還原反應相對應，他們管這類反應叫“機械”氧化還原反應。

研究團隊從BaTiO3得到電勢並將其用於芳基重氮鹽的活化，產生了高度活化的基團。這些基團能夠高效地進行芳基化反應和硼化反應**[2****]**。研究團隊還發現，硼化反應甚至只要用錘子敲打裝在塑料袋中的反應物就能發生。

“我們使用的反應體系只需要用球磨機產生機械力，沒有用到溶劑。這種方法大大減少了有機溶劑的使用，讓反應更容易進行，也更環保。對於那些不溶於溶劑的反應物也同樣適用。” Koji Kubota説。他們還可以對鈦酸鋇進行回收，收率比光氧化還原反應的還要高。

[1] Kubota K. et al. Science, December 19, 2019.

[2] 注：芳基化反應和硼化反應是兩種在合成化學中非常重要的反應。

5 美軍發佈2019年十大黑科技

日前，美軍CCDC研究實驗室發佈了2019年軍事領域的十大最酷科技進步清單**[1****]**，讓我們點擊“閲讀原文”圍觀視頻吧！視頻來源：美軍CCDC研究實驗室 | 字幕編輯及製作：楊凌

第10名將塑料纖維肌肉運用於機器人，極大提升了機器人的性能。

第9名使用可穿戴傳感器監測士兵的健康狀況和所處的環境危險。

第8名正在研製的新型水基耐火性鋰離子電池。

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第4名AI系統-CRYSTRAL幫助軍方研製高密度儲能材料。

第3名一種適應複雜戰場的新型無線電指揮體系。

第2名一種可以自我修復的材料！

第1名正在開發新型機器人大腦，使機器人可以在各種未知場景下處理各類未知物體。

[1] http://www.arl.army.mil

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