量子糾纏是量子物理學(xué)中最迷人的現(xiàn)象之一。如果兩個粒子發(fā)生了糾纏，無論它們相距多遠(yuǎn)，其中一個粒子的狀態(tài)都會與另一個粒子的狀態(tài)聯(lián)系在一起。這種令人匪夷所思的現(xiàn)象在經(jīng)典物理學(xué)中甚至找不到相似的對應(yīng)。

人們已經(jīng)在各種系統(tǒng)中觀察到了量子糾纏，也發(fā)現(xiàn)了一些重要的應(yīng)用。2022年，阿蘭·阿斯佩特（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John Clauser）和安東·塞林格（Anton Zeilinger）因為糾纏光子的突破性實驗而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。這些實驗不僅證實了理論學(xué)家約翰·貝爾（John Bell）對糾纏的預(yù)測，還開創(chuàng)了量子信息科學(xué)的先河。

但還有一些尚未被探索的領(lǐng)域有待研究。幾十年來，人們一直在測量電子和光子等粒子中的糾纏。作為糾纏這種微妙的現(xiàn)象，在能量比較低的環(huán)境中最容易測量，比如超低溫的環(huán)境下。

而像大型強子對撞機（LHC）這樣的粒子對撞機則能達(dá)到嘈雜的極高能量狀態(tài)，因此很難從碎片中測量，這就好比你想在一場搖滾演唱會里聽清有人在說悄悄話一樣。但科學(xué)家毫不懷疑夸克這樣的粒子也可以發(fā)生糾纏，畢竟粒子物理學(xué)深深植根于量子力學(xué)之上。

現(xiàn)在，科學(xué)家首次在LHC上觀測到了夸克之間的量子糾纏，是頂夸克和它的反物質(zhì)伙伴反頂夸克的糾纏。ATLAS團隊于2023年9月首次報告了這一結(jié)果，此后CMS合作組的兩次觀測進(jìn)行了驗證。這為復(fù)雜的量子物理世界開辟了新的視角。研究已發(fā)表在《自然》上。

頂夸克的糾纏

頂夸克是已知的6味夸克中的一個，也是已知的最重的基本粒子。它們是質(zhì)子對撞的產(chǎn)物，但壽命非常短，只有10?2?秒，通常在來不及與其他夸克結(jié)合之前就會衰變成其他粒子，最常見的是產(chǎn)生一個底夸克、一個反底夸克和兩個W玻色子。隨后W玻色子會衰變?yōu)榱Ｗ?中微子對，比如一個電子和一個反中微子，或者一個反μ子和一個μ子中微子。與此同時，頂夸克也會將自旋和其他量子特征傳遞給衰變粒子。

而物理學(xué)家可以利用這些衰變產(chǎn)物來推斷頂夸克的自旋方向。先前的研究還發(fā)現(xiàn)，通過測量自旋，可以確定頂夸克是不是真的糾纏在了一起。自旋糾纏的存在和程度可以從兩個夸克的帶電衰變產(chǎn)物發(fā)射方向之間的角度推斷出來。

探測糾纏夸克的實驗示意圖。

ATLAS合作組從質(zhì)子-質(zhì)子對撞的數(shù)據(jù)中分析了100萬對頂夸克對。它們是在2015年到2018年LHC第二次運行期間，以13萬億電子伏特的能量下發(fā)生的。他們特別尋找了有兩個夸克同時產(chǎn)生且粒子動量相對較小的對，處于這種情況下的兩個夸克的自旋，很有可能發(fā)生強烈的糾纏。

通過測量衰變產(chǎn)物發(fā)射角度，同時根據(jù)實驗效應(yīng)進(jìn)行校正，ATLAS和CMS團隊都觀測到了頂夸克與它的反物質(zhì)之間的量子糾纏，統(tǒng)計顯著性大于5個標(biāo)準(zhǔn)差。

在另一項研究中，CMS合作組還尋找了一些特別的頂夸克對，在這些頂夸克對中，兩個夸克以相對于彼此的高動量同時產(chǎn)生。在這種情況下，對于很大一部分頂夸克對來說，兩個頂夸克衰變的相對位置和時間預(yù)計應(yīng)該排除了不超過光速運動的粒子的經(jīng)典信息交換的可能性。CMS在這種情況下也觀測到了頂夸克之間的自旋糾纏。

更多夸克糾纏

雖然這項研究僅僅涉及頂夸克，但它為更廣泛的夸克糾纏提供了重要基礎(chǔ)。在新的粒子系統(tǒng)中觀測到量子糾纏，并且在前所未有的能量范圍內(nèi)進(jìn)行測量，為研究更多粒子糾纏鋪平了道路。

此外，我們知道強力是自然界中已知的四種基本力之一，它負(fù)責(zé)將夸克和膠子緊緊地結(jié)合在一起形成質(zhì)子或中子。然而，強力理論中還有一個核心問題，那就是物理學(xué)家從未觀測到過單個的夸克和膠子，它們只能以禁閉態(tài)“強子”的形式出現(xiàn)，總色荷為零。這種機制被稱為色禁閉。也有人提出，色禁閉本身可以理解為攜帶色電荷的粒子能夠糾纏的極限。因此，探索夸克糾纏最終也可能有望解開強力之謎。

#創(chuàng)作團隊：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#參考來源：

https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet

https://www./articles/d41586-024-02973-7

https://www./articles/d41586-024-02801-y

#圖片來源：

封面圖&首圖：CERN