這個(gè)100噸重的輪子被放在歐洲粒子物理研究所LHC層的阿特拉斯洞穴地下80米處。
ATLAS探測(cè)器是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的一部分，位于地下100米，在那里測(cè)量高能粒子的各種屬性。鳴謝:Maximilien Brice/CERN
科學(xué)家首次觀察到夸克之間的量子糾纏——一種粒子混合在一起的狀態(tài)，失去了它們的個(gè)性，因此它們不再能夠被單獨(dú)描述。這項(xiàng)成就是在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室CERN取得的，它可能為進(jìn)一步探索高能粒子中的量子信息打開大門。
幾十年來，人們一直在電子和光子等粒子中測(cè)量糾纏，但這是一種微妙的現(xiàn)象，最容易在低能或“安靜”的環(huán)境中測(cè)量，例如在容納量子計(jì)算機(jī)的超冷冰箱中。粒子碰撞，例如歐洲粒子物理研究所大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中質(zhì)子之間的碰撞，相對(duì)來說噪音較大且能量較高，這使得從碎片中測(cè)量糾纏變得更加困難——就像在搖滾音樂會(huì)上傾聽耳語一樣。
為了觀察LHC的糾纏，從事ATLAS探測(cè)器工作的物理學(xué)家分析了大約100萬對(duì)頂夸克和反頂夸克——所有已知基本粒子及其反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物中最重的一種。他們發(fā)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)上壓倒性的纏結(jié)證據(jù)，這是他們?cè)谌ツ?月宣布的，并在今天的《自然》雜志上詳細(xì)描述了。在LHC的另一個(gè)主要探測(cè)器CMS上工作的物理學(xué)家也在6月2日發(fā)布到預(yù)印本服務(wù)器arXiv上的一份報(bào)告中證實(shí)了糾纏觀測(cè)。
“這真的很有趣，因?yàn)檫@是你第一次可以用LHC獲得的最高能量來研究糾纏，”印第安納州西拉斐特普渡大學(xué)的粒子物理學(xué)家朱利亞·內(nèi)格羅說，他從事CMS分析。
科學(xué)家們毫不懷疑頂夸克對(duì)可以糾纏在一起。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型——目前關(guān)于基本粒子及其相互作用的力的最佳理論——建立在描述糾纏的量子力學(xué)之上。但是研究人員說，最新的測(cè)量仍然是有價(jià)值的。
“你不會(huì)真的指望打破量子力學(xué)吧？”馬德里理論物理研究所的理論物理學(xué)家胡安·阿吉拉爾-薩維德拉說。"有一個(gè)預(yù)期的結(jié)果不能阻止你去衡量重要的事情."
瞬態(tài)頂部
幾年前的一次喝咖啡休息時(shí)，現(xiàn)在伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Yoav Afik和現(xiàn)在馬德里康普頓斯大學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)家Juan muoz de Nova想知道是否有可能在對(duì)撞機(jī)上觀察到糾纏。他們的聊天變成了一篇論文，提出了一條利用頂夸克測(cè)量糾纏的途徑。
質(zhì)子碰撞后產(chǎn)生的頂夸克和反頂夸克的壽命極短，只有1025秒。然后它們衰變?yōu)閴勖L(zhǎng)的粒子。
先前的研究4發(fā)現(xiàn)，在它們短暫的生命中，頂夸克可能具有相關(guān)的“自旋”，一種類似于角動(dòng)量的量子屬性。阿菲克和穆尼奧斯·德·諾瓦的認(rèn)識(shí)是，這種測(cè)量可以擴(kuò)展到表明頂夸克的自旋并不一定相關(guān)，而是真正糾纏在一起。他們定義了一個(gè)參數(shù)D來描述相關(guān)程度。如果d小于??，頂夸克就會(huì)被糾纏。
最終使阿菲克和穆尼奧斯·德·諾瓦的提議成功的部分原因是頂級(jí)夸克的壽命很短。英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家詹姆斯·豪沃思說:“用較輕的夸克永遠(yuǎn)做不到這一點(diǎn)?！彼c阿菲克和穆尼奧斯·德·諾瓦一起參與了ATLAS分析?？淇舜_實(shí)不喜歡被分離，所以僅僅過了1024秒，它們就開始相互混合，形成質(zhì)子和中子等強(qiáng)子。但是一個(gè)頂夸克衰變得足夠快，以至于它沒有時(shí)間通過混合來“強(qiáng)子化”和丟失它的自旋信息，Howarth說。相反，他補(bǔ)充道，所有這些信息都“轉(zhuǎn)移到了衰變粒子中”。這意味著研究人員可以測(cè)量衰變產(chǎn)物的性質(zhì)，以逆向工作，并推斷母頂夸克的性質(zhì)，包括自旋。
在對(duì)頂夸克自旋進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量后，研究小組將他們的結(jié)果與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。但是頂夸克產(chǎn)生和衰變的模型與探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果不匹配。
ATLAS和CMS的研究人員以不同的方式應(yīng)對(duì)不確定性。例如，CMS團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將“topo nium”——一種頂夸克和反頂夸克束縛在一起的假設(shè)狀態(tài)——添加到其分析中有助于理論和實(shí)驗(yàn)更好地一致。
最終，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都輕松達(dá)到了??糾纏極限，ATLAS測(cè)得的d為0.537，CMS測(cè)得的d為0.480。
打頂
在頂夸克中觀察糾纏的成功可以提高研究人員對(duì)頂夸克物理的理解，并為未來糾纏的高能測(cè)試鋪平道路。其他粒子，如希格斯玻色子，甚至可以用來進(jìn)行貝爾測(cè)試，這是一種更嚴(yán)格的糾纏探測(cè)。
阿菲克說，頂夸克實(shí)驗(yàn)可能會(huì)改變物理學(xué)家的想法。他說，“在開始的時(shí)候，讓社區(qū)相信這項(xiàng)研究是值得的”有點(diǎn)困難。畢竟，糾纏是量子力學(xué)的基石，已經(jīng)被一次又一次地驗(yàn)證過。
但是，對(duì)于阿菲克和這一現(xiàn)象的其他愛好者來說，糾纏在高能下還沒有被嚴(yán)格探索的事實(shí)已經(jīng)足夠證明了。“人們已經(jīng)意識(shí)到，你現(xiàn)在可以開始使用強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和其他類型的對(duì)撞機(jī)來做這些測(cè)試，”豪沃思說。
doi:https:///10.1038/d41586-024-02973-7
閱讀相關(guān)新聞和觀點(diǎn):“夸克顯示量子糾纏在高能量下成立”。
參考
1.ATLAS協(xié)作。https:///10.1038/s41586-024-07824-z自然雜志(2024)。
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2.CMS協(xié)作。https:///10.48550/arXiv.2406.03976 arXiv的預(yù)印本(2024)。
3.阿菲克，y和德諾瓦，J. R. M. Eur。物理雜志加136，907 (2021)。
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4.G.Aad等,《列特物理評(píng)論》。114, 142001 (2015).
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