科學家們首次觀察到量子糾纏——一種粒子相互混合的狀態，失去其獨特性，因此它們不再能被單獨描述——發生在夸克之間。這項在歐洲核子研究中心（CERN）（位於瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室）取得的壯舉，可能為進一步探測高能粒子中的量子資訊開啟大門。
糾纏現象已在電子和光子等粒子中測量數十年，但它是一種微妙的現象，最容易在低能量或“安靜”的環境中測量，例如在容納量子計算機的超冷冰箱中。粒子碰撞，例如歐洲核子研究中心的大型強子對撞機中的質子碰撞，相對嘈雜且高能量，使得從它們的碎片中測量糾纏現象變得更加困難——就像在搖滾音樂會上傾聽耳語一樣。
為了在大型強子對撞機 (LHC) 中觀察到糾纏現象，在 ATLAS 探測器上工作的物理學家分析了大約一百萬對頂夸克和反頂夸克——所有已知基本粒子中最重的粒子及其反物質對應物。他們發現了統計學上壓倒性的糾纏證據，他們在去年九月宣佈了這一發現，並在今天的自然雜誌上詳細描述了這一發現。在大型強子對撞機的另一個主要探測器 CMS 上工作的物理學家也在提交給預印本伺服器 arXiv 於六月 的報告中證實了糾纏現象的觀察結果。
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“這真的很有趣，因為這是你第一次可以在大型強子對撞機獲得的最高能量下研究糾纏，”普渡大學西拉法葉分校的粒子物理學家朱利亞·內格羅說，他參與了 CMS 分析。
科學家們一直毫不懷疑頂夸克對可以發生糾纏。粒子物理學的標準模型——當前關於基本粒子和它們相互作用力的最佳理論——是建立在量子力學之上的，而量子力學描述了糾纏。但研究人員表示，最新的測量仍然很有價值。
“你真的不期望打破量子力學，對吧？”馬德里理論物理研究所的理論物理學家胡安·阿吉拉爾-薩維德拉說。“擁有預期的結果不應阻止你測量重要的事物。”
瞬態頂夸克
幾年前的一次咖啡休息期間，現在在伊利諾伊州芝加哥大學的實驗物理學家約夫·阿菲克和現在在馬德里康普頓斯大學的凝聚態物理學家胡安·穆尼奧斯·德諾瓦想知道是否有可能在對撞機中觀察到糾纏。他們的聊天變成了一篇論文，該論文闡述了使用頂夸克測量糾纏的途徑。
在質子碰撞後產生的頂夸克和反頂夸克對的壽命極短——持續 10−25 秒。然後它們衰變成壽命更長的粒子。
先前的研究發現，在它們的短暫生命中，頂夸克可能具有相關的“自旋”，這是一種類似於角動量的量子屬性。阿菲克和穆尼奧斯·德諾瓦的認識是，這種測量可以擴充套件到表明頂夸克自旋不僅僅是某種程度的相關，而是真正的糾纏。他們定義了一個引數 D 來描述相關程度。如果 D 小於 −1/3，則頂夸克將是糾纏的。
最終使阿菲克和穆尼奧斯·德諾瓦的提議奏效的部分原因是頂夸克的壽命很短。“你永遠無法用更輕的夸克做到這一點，”英國格拉斯哥大學的實驗物理學家詹姆斯·霍沃思說，他與阿菲克和穆尼奧斯·德諾瓦一起參與了 ATLAS 分析。夸克真的不喜歡被分離，因此在僅僅 10−24 秒後，它們開始相互混合以形成強子，例如質子和中子。但霍沃思說，頂夸克的衰變速度足夠快，以至於它沒有時間“強子化”並透過混合失去其自旋資訊。相反，所有這些資訊“都被轉移到它的衰變粒子上”，他補充道。這意味著研究人員可以測量衰變產物的性質，從而反向推斷出母體頂夸克的性質，包括自旋。
在對頂夸克自旋進行實驗測量後，研究小組將他們的結果與理論預測進行了比較。但頂夸克產生和衰變的模型與探測器測量結果不符。
ATLAS 和 CMS 的研究人員都以不同的方式處理不確定性。例如，CMS 團隊發現，在其分析中新增“頂夸克偶素”（一種假設的狀態，其中頂夸克和反頂夸克結合在一起）有助於理論和實驗更好地吻合。
最終，兩項實驗都輕鬆地達到了 −1/3 的糾纏極限，ATLAS 測得 D 為 −0.537，CMS 測得為 −0.480。
錦上添花
在頂夸克中觀察到糾纏現象的成功可能會提高研究人員對頂夸克物理學的理解，併為未來高能糾纏測試鋪平道路。其他粒子，例如希格斯玻色子，甚至可以用於執行貝爾測試，這是一種更嚴格的糾纏探測方法。
阿菲克說，頂夸克實驗可能會改變物理學家的思維方式。“一開始很難說服社群”這項研究值得花費時間，他說。畢竟，糾纏是量子力學的基石，並且已經一次又一次地得到驗證。
但糾纏現象尚未在高能量下得到嚴格探索這一事實足以證明阿菲克和該現象的其他愛好者的理由。“人們已經意識到，你現在可以開始使用強子對撞機和其他型別的對撞機來進行這些測試，”霍沃思說。
本文經許可轉載，並於 2024 年 9 月 18 日首次發表。