科学家们首次观察到量子纠缠——一种粒子相互混合的状态，失去其独特性，因此它们不再能被单独描述——发生在夸克之间。这项在欧洲核子研究中心（CERN）（位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室）取得的壮举，可能为进一步探测高能粒子中的量子信息打开大门。
纠缠现象已在电子和光子等粒子中测量数十年，但它是一种微妙的现象，最容易在低能量或“安静”的环境中测量，例如在容纳量子计算机的超冷冰箱中。粒子碰撞，例如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中的质子碰撞，相对嘈杂且高能量，使得从它们的碎片中测量纠缠现象变得更加困难——就像在摇滚音乐会上倾听耳语一样。
为了在大型强子对撞机 (LHC) 中观察到纠缠现象，在 ATLAS 探测器上工作的物理学家分析了大约一百万对顶夸克和反顶夸克——所有已知基本粒子中最重的粒子及其反物质对应物。他们发现了统计学上压倒性的纠缠证据，他们在去年九月宣布了这一发现，并在今天的自然杂志上详细描述了这一发现。在大型强子对撞机的另一个主要探测器 CMS 上工作的物理学家也在提交给预印本服务器 arXiv 于六月 的报告中证实了纠缠现象的观察结果。
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“这真的很有趣，因为这是你第一次可以在大型强子对撞机获得的最高能量下研究纠缠，”普渡大学西拉法叶分校的粒子物理学家朱利亚·内格罗说，他参与了 CMS 分析。
科学家们一直毫不怀疑顶夸克对可以发生纠缠。粒子物理学的标准模型——当前关于基本粒子和它们相互作用力的最佳理论——是建立在量子力学之上的，而量子力学描述了纠缠。但研究人员表示，最新的测量仍然很有价值。
“你真的不期望打破量子力学，对吧？”马德里理论物理研究所的理论物理学家胡安·阿吉拉尔-萨维德拉说。“拥有预期的结果不应阻止你测量重要的事物。”
瞬态顶夸克
几年前的一次咖啡休息期间，现在在伊利诺伊州芝加哥大学的实验物理学家约夫·阿菲克和现在在马德里康普顿斯大学的凝聚态物理学家胡安·穆尼奥斯·德诺瓦想知道是否有可能在对撞机中观察到纠缠。他们的聊天变成了一篇论文，该论文阐述了使用顶夸克测量纠缠的途径。
在质子碰撞后产生的顶夸克和反顶夸克对的寿命极短——持续 10−25 秒。然后它们衰变成寿命更长的粒子。
先前的研究发现，在它们的短暂生命中，顶夸克可能具有相关的“自旋”，这是一种类似于角动量的量子属性。阿菲克和穆尼奥斯·德诺瓦的认识是，这种测量可以扩展到表明顶夸克自旋不仅仅是某种程度的相关，而是真正的纠缠。他们定义了一个参数 D 来描述相关程度。如果 D 小于 −1/3，则顶夸克将是纠缠的。
最终使阿菲克和穆尼奥斯·德诺瓦的提议奏效的部分原因是顶夸克的寿命很短。“你永远无法用更轻的夸克做到这一点，”英国格拉斯哥大学的实验物理学家詹姆斯·霍沃思说，他与阿菲克和穆尼奥斯·德诺瓦一起参与了 ATLAS 分析。夸克真的不喜欢被分离，因此在仅仅 10−24 秒后，它们开始相互混合以形成强子，例如质子和中子。但霍沃思说，顶夸克的衰变速度足够快，以至于它没有时间“强子化”并通过混合失去其自旋信息。相反，所有这些信息“都被转移到它的衰变粒子上”，他补充道。这意味着研究人员可以测量衰变产物的性质，从而反向推断出母体顶夸克的性质，包括自旋。
在对顶夸克自旋进行实验测量后，研究小组将他们的结果与理论预测进行了比较。但顶夸克产生和衰变的模型与探测器测量结果不符。
ATLAS 和 CMS 的研究人员都以不同的方式处理不确定性。例如，CMS 团队发现，在其分析中添加“顶夸克偶素”（一种假设的状态，其中顶夸克和反顶夸克结合在一起）有助于理论和实验更好地吻合。
最终，两项实验都轻松地达到了 −1/3 的纠缠极限，ATLAS 测得 D 为 −0.537，CMS 测得为 −0.480。
锦上添花
在顶夸克中观察到纠缠现象的成功可能会提高研究人员对顶夸克物理学的理解，并为未来高能纠缠测试铺平道路。其他粒子，例如希格斯玻色子，甚至可以用于执行贝尔测试，这是一种更严格的纠缠探测方法。
阿菲克说，顶夸克实验可能会改变物理学家的思维方式。“一开始很难说服社区”这项研究值得花费时间，他说。毕竟，纠缠是量子力学的基石，并且已经一次又一次地得到验证。
但纠缠现象尚未在高能量下得到严格探索这一事实足以证明阿菲克和该现象的其他爱好者的理由。“人们已经意识到，你现在可以开始使用强子对撞机和其他类型的对撞机来进行这些测试，”霍沃思说。
本文经许可转载，并于 2024 年 9 月 18 日首次发表。