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位于地下100米的ATLAS探測器是LHC的一部分，用于測量高能粒子的各種性質(zhì)。圖片來源：Maximilien Brice/歐洲核子研究中心

科學家首次觀察到夸克間的量子糾纏，這是一種粒子相互混雜、失去各自特性，從而無法再被單獨描述的狀態(tài)。瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）取得的這一成就，可能為進一步探索高能粒子中的量子信息打開大門。

幾十年來，人們一直在測量電子和光子等粒子的糾纏現(xiàn)象，這種微妙的現(xiàn)象在安靜或低能量的環(huán)境中最容易測量，比如在存放量子計算機的超冷冰箱中。而粒子碰撞相對來說是嘈雜和高能量的，這使得在它們的碎片中測量糾纏變得更加困難，就像在搖滾音樂會上聽悄悄話一樣。

為了在CERN的大型強子對撞機（LHC）上觀察糾纏現(xiàn)象，物理學家通過ATLAS（超環(huán)面儀器實驗）探測器分析了大約100萬對頂夸克和反頂夸克，它們是已知最重的基本粒子及其反物質(zhì)對應物。他們發(fā)現(xiàn)了糾纏的關(guān)鍵證據(jù)，并在9月18日的《自然》上對其進行了詳細描述。在預印本平臺arXiv于6月公布的一份報告中，負責LHC的另一個主要探測器CMS（緊湊渺子線圈）的物理學家也證實了這一糾纏觀測結(jié)果。

“這真的很有趣，因為這是第一次用LHC在最高能量下研究糾纏?！泵绹斩纱髮W從事CMS分析的粒子物理學家Giulia Negro說。

科學家毫不懷疑頂夸克對是可以糾纏的。幾年前，美國芝加哥大學實驗物理學家Yoav Afik和西班牙馬德里康普頓斯大學凝聚態(tài)物理學家Juan Munoz de Nova曾討論過能否在對撞機上觀察到糾纏。他們提出了一種用頂夸克測量糾纏的方法，并最終以論文形式發(fā)表。

質(zhì)子碰撞后產(chǎn)生的頂夸克和反頂夸克對壽命極短，僅持續(xù)10-25秒。之后，它們會衰變成壽命更長的粒子。

此前研究發(fā)現(xiàn)，在它們短暫的生命周期內(nèi)，頂夸克可以進行自旋—— 一種類似于角動量的量子特性。Afik和Munoz de Nova于是便定義了一個參數(shù)D描述自旋的程度。如果D小于-1/3，則頂夸克將被糾纏。

英國格拉斯哥大學實驗物理學家James Howarth一同參與了ATLAS的分析。他表示，夸克確實不喜歡被分開，所以僅僅在10-24秒后，它們就開始相互混合并形成強子，如質(zhì)子和中子。但頂夸克衰變得非?？欤灾劣谕耆珱]有時間“強子化”，并通過混合失去其自旋信息，而這些信息都被“轉(zhuǎn)移到其衰變的粒子上”。這意味著研究人員可以反向測量衰變產(chǎn)物的性質(zhì)，并推斷上一代頂夸克的性質(zhì)，包括自旋。

在對頂夸克自旋進行實驗測量后，研究小組將實驗結(jié)果與理論預測進行了比較。但是頂夸克產(chǎn)生和衰變的模型與探測器的測量結(jié)果不符。

為應對不確定性，ATLAS和CMS的研究人員以不同方式開展了實驗。CMS團隊發(fā)現(xiàn)，在分析中添加“拓撲子”—— 一種假設的頂夸克和反頂夸克結(jié)合在一起的狀態(tài)，有助于理論和實驗更好地達成一致。

最后，這兩個實驗都很容易地達到了-1/3的糾纏極限——ATLAS測量的D值為-0.537，CMS測量的D值為-0.480。

成功觀測到頂夸克糾纏可以加深研究人員對頂夸克物理學的理解，并為未來的高能糾纏測試鋪平道路。甚至可以用希格斯玻色子等其他粒子進行貝爾測試，這是一種更嚴格的糾纏探測。

Afik說，頂夸克實驗可能會改變物理學家的想法，這項研究是值得花時間完成的。畢竟，糾纏是量子力學的基石，并且已經(jīng)一次次地被證實。Howarth補充說：“人們已經(jīng)意識到，現(xiàn)在可以使用強子對撞機和其他類型的對撞機進行這些測試?！?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z