科學家首次觀測到量子干涉——一種與奇異的量子糾纏現象相關的粒子間波狀相互作用——發生在兩種不同種類的粒子之間。這一發現可能有助於物理學家理解原子核內部的運作機制。
粒子既表現得像粒子，又表現得像波。干涉是指一個粒子的波狀行為削弱或增強其他量子粒子的行為的能力，就像湖中兩條船的尾跡交叉一樣。有時，重疊的波會疊加成更大的波，有時則會相互抵消，使波消失。這種干涉的發生是因為量子糾纏，量子物理學中最奇怪的方面之一。它在20世紀30年代被預測出來，並在20世紀70年代開始透過實驗觀測到。當粒子糾纏時，多個粒子的量子態會相互關聯，因此對一個粒子的測量結果將與其他粒子的測量結果相關，即使一個在木星上，另一個在您家門口的草坪上。
不同的粒子有時會發生糾纏，但直到現在，我們還不知道這些不匹配的糾纏粒子會相互干涉。這是因為測量干涉的一部分依賴於兩個波狀粒子彼此無法區分。想象一下來自兩個獨立光源的兩個光子，即光粒子。如果檢測到這些光子，將無法確定每個光子來自哪個光源，因為無法區分哪個是哪個。由於支配這些極小粒子的量子定律，這種模糊性實際上是可測量的：兩個相同光子的所有可能歷史會相互干涉，從而在粒子的最終波狀行為中產生新的模式。
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然而，這些模式通常不會發生在成對的不同粒子身上，即使它們是糾纏的。因為可以區分這些粒子，所以它們的歷史沒有神秘之處，因此這些不同可能的世界之間沒有干涉——直到現在。
首次，物理學家發現了兩種不同的亞原子粒子之間的干涉。研究人員在長島布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）上進行了觀測。該發現拓寬了我們對糾纏的理解，併為利用它研究亞原子世界提供了新的機會。
“有了這項新技術，我們能夠以大約十分之一飛米，也就是單個質子十分之一的大小，來測量原子核的大小和形狀，”俄亥俄州立大學物理學家、RHIC的STAR實驗成員詹姆斯·丹尼爾·勃蘭登堡說，新的現象是在這裡被觀察到的。這比之前對高能原子核的測量精度高10到100倍。
RHIC的設計目的是使重離子（如金原子核）發生碰撞。然而，在這種情況下，研究人員對近距離錯失（near miss）而不是碰撞感興趣。當金原子核以接近光速的速度穿過對撞機時，它們會產生電磁場，從而產生光子。當兩個金原子核彼此靠近但不發生碰撞時，光子可能會從相鄰的原子核上彈開。STAR合作者、範德比爾特大學物理學家拉加夫·庫納瓦爾卡姆·埃拉亞瓦利說，這些近距離錯失事件過去被認為是背景噪聲。但觀察近距離接觸事件“開啟了一個最初無法觸及的全新的物理學領域”，庫納瓦爾卡姆·埃拉亞瓦利說。
當光子從相鄰金離子的原子核上反彈時，它會產生一種非常短壽命的粒子，稱為rho，它會迅速衰變成兩個稱為π介子的粒子，一個帶正電，一個帶負電。
正π介子可以與由其他原子飛越事件引起的其他正π介子發生干涉。負π介子可以與其他負π介子發生干涉。到目前為止，這一切都是教科書上有的。但接下來事情變得奇怪起來：由於正負π介子是糾纏的，它們也會相互干涉。“他們所做的事情在風格上是不同的，而且很有趣，”哈佛大學研究員協會的理論物理學博士後研究員喬丹·科特勒說，他沒有參與這項研究。科特勒說，糾纏和干涉的兩步效應並沒有違反量子力學的任何基本規則，但它是從這些粒子中提取新資訊的一種“更聰明”的方法。
特別是，光子可以像微型雷射一樣，掃描它們與之碰撞的金離子核。這些相互作用使研究人員能夠探測亞原子粒子，例如構成原子中質子和中子的夸克，以及將夸克結合在一起的膠子。物理學家仍然不完全理解質子如何從這種糾纏的粒子混合物中獲得諸如質量和自旋（角動量的量子版本）之類的性質。
透過測量π介子的動量，研究人員可以瞭解光子反彈的物體的密度——在這種情況下，是構成離子核的亞原子粒子。先前嘗試使用其他型別的高速粒子進行這些型別的測量，結果得到了令人沮喪的模糊影像。
然而，STAR科學家最近發現，這些實驗中的光子是極化的，這意味著它們的電場沿特定方向傳播。布魯克海文國家實驗室的物理學家吉孝田（Yoshitaka Hatta）說，這種極化被傳遞到π介子，並透過量子干涉增強，他沒有參與這項研究。透過精確計算極化，研究人員可以從對原子核的測量中消除“模糊”，從而獲得更準確的影像。“我們實際上能夠看到質子和中子在原子核內的位置差異，”勃蘭登堡說。他說，質子傾向於聚集在中心，周圍是“外殼”狀的中子。
除了原子核的大小之外，這項技術還可以揭示其他細節。例如，質子的自旋超過了構成質子的夸克的自旋，這意味著質子內部存在一些未被解釋的因素可以解釋剩餘的自旋。勃蘭登堡說，將夸克結合在一起的膠子可能是罪魁禍首，但科學家們還沒有找到一種好方法來了解它們在做什麼。展望未來，這項新技術可以更清晰地觀察膠子的自旋和其他特性。
“令人驚奇的是，”科特勒說，“這些當代的實驗仍在推動我們對量子力學和測量的理解的邊界，併為理論和實驗開闢新的視野。”