首次观测到夸克纠缠！如何观察高能环境中的量子纠缠？

作者：陈佳君

当两个微观粒子纠缠在一起时， 无论它们相距多远，你只要测量了其中一个粒子的状态，就会立即知道另一个粒子的状态。这种令人匪夷所思的关联便是著名的量子纠缠，也被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。

物理学家早已在各种系统中观察到了量子纠缠，2022年的诺贝尔物理学奖也授予了三位研究量子纠缠的物理学家。但在过去的几十年里，物理学家一直都是在低能量的环境下研究像电子、光子等常规粒子之间的纠缠。而在高能量环境中，比如在大型强子对撞机（LHC)中，想要从粒子对撞产生的大量更小的粒子中测量到它们量子纠缠效应却是非常困难的。

试想一下，假如你在一个宁静的公园和朋友安静地聊天，你可以轻易地听到彼此的声音。但如果你是在一个摇滚音乐会上进行同样的对话，由于音乐震耳欲聋，现场的听众跟着大喊大叫，你几乎很难听到你朋友的声音。尽管如此，物理学家却丝毫不怀疑他们可以在高能环境中观察到纠缠现象。

现在，一项于2024年9月18日发表在《自然》杂志上的研究表明，在大型强子对撞机进行实验的物理学家终于首次观察到了顶夸克之间的纠缠。

那么，什么是夸克呢？夸克是宇宙中已知最基本的粒子之一，也就是说它们无法被进一步分割成更小的粒子。夸克有6种味，分别被称为上（u）、下（d）、粲（c）、奇异（s）、顶（t）和底（b）， 它们各自有与之对应的携带相反电荷的反粒子。

图：夸克的六种味，以及它们对应的反粒子。

夸克之间的纠缠是非常难以捉摸的，这是因为单独的夸克从来不会被孤立地观察到。夸克总是与另一种被称为胶子的基本粒子，在自然界的基本力之一——强力的作用下，紧紧地束缚在一起，构成强子，比如我们熟悉的质子和中子。

但顶夸克却给了物理学家观察纠缠的机会。为什么呢？首先，顶夸克是已知最重的基本粒子，质量约为质子的184倍。这就使它变得极其不稳定，它的平均寿命只有~5×10⁻²⁵秒，通常在来不及与其他夸克结合之前就会衰变成其他更加稳定的粒子。其次，在顶夸克衰变成其他粒子时，它也会将自旋和其他量子特征传递给衰变的粒子。自旋是粒子的基本量子特性，属于粒子角动量的一部分。这就意味着研究人员可以通过测量衰变粒子的属性，来推断出顶夸克的属性，包括自旋。

那么顶夸克是如何产生的呢？在LHC中，质子会被加速到接近光速。当两个质子以极高的能量撞在一起时，就会产生夸克和胶子。如果两个胶子碰撞，它们可以融合成一个胶子，接着产生顶夸克对，也就是一个顶夸克和一个反顶夸克。刚才我们提到，它们的寿命是非常短的，所以它们会立即衰变成一个底夸克、一个反底夸克和两个被称为W玻色子的基本粒子。最后，W玻色子会衰变成粒子和中微子对，比如一个电子和一个反中微子，或者衰变成一个反μ子和一个μ子中微子。通过测量被探测到的带电轻子（比如电子和反μ子等）的角度分布，研究人员就可以确定产生它们的顶夸克对是否纠缠在一起。

图：质子对撞会产生一系列的粒子。（图片素材：Nature）

具体来说，研究人员定义了一个参数D，用于量化顶夸克和反顶夸克之间的自旋关联程度，这个值是通过观察衰变产生的带电轻子的角度来推断的。当研究者测量到D小于−1/3 时，这意味着存在一种足够强的自旋关联性，从而证明顶夸克对处于纠缠态。

大型强子对撞机的ATLAS合作组从质子-质子对撞的数据中分析了100万对顶夸克对。这些数据是在2015年到2018年LHC第二次运行期间收集的。结果表明，D=-0.537，统计不确定性仅为±0.002，系统不确定性为±0.019。换据说话，研究人员首次观测到了顶夸克与它的反粒子之间的量子纠缠，统计显著性高于5个标准差。

在新的粒子系统中观测到量子纠缠，并且在前所未有的能量范围内进行测量，是非常重要的。因为它可以让物理学家以全新的方式来检验粒子物理学的标准模型，并有可能最终指引物理学家寻找到超越标准模型的蛛丝马迹。

论文连接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07824-z

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称： 陈佳君

审核： 罗会仟 中科院物理所研究员

出品：中国科协科普部

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