科学家首次观测到量子干涉——一种与奇异的量子纠缠现象相关的粒子间波状相互作用——发生在两种不同种类的粒子之间。这一发现可能有助于物理学家理解原子核内部的运作机制。
粒子既表现得像粒子，又表现得像波。干涉是指一个粒子的波状行为削弱或增强其他量子粒子的行为的能力，就像湖中两条船的尾迹交叉一样。有时，重叠的波会叠加成更大的波，有时则会相互抵消，使波消失。这种干涉的发生是因为量子纠缠，量子物理学中最奇怪的方面之一。它在20世纪30年代被预测出来，并在20世纪70年代开始通过实验观测到。当粒子纠缠时，多个粒子的量子态会相互关联，因此对一个粒子的测量结果将与其他粒子的测量结果相关，即使一个在木星上，另一个在您家门口的草坪上。
不同的粒子有时会发生纠缠，但直到现在，我们还不知道这些不匹配的纠缠粒子会相互干涉。这是因为测量干涉的一部分依赖于两个波状粒子彼此无法区分。想象一下来自两个独立光源的两个光子，即光粒子。如果检测到这些光子，将无法确定每个光子来自哪个光源，因为无法区分哪个是哪个。由于支配这些极小粒子的量子定律，这种模糊性实际上是可测量的：两个相同光子的所有可能历史会相互干涉，从而在粒子的最终波状行为中产生新的模式。
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然而，这些模式通常不会发生在成对的不同粒子身上，即使它们是纠缠的。因为可以区分这些粒子，所以它们的历史没有神秘之处，因此这些不同可能的世界之间没有干涉——直到现在。
首次，物理学家发现了两种不同的亚原子粒子之间的干涉。研究人员在长岛布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）上进行了观测。该发现拓宽了我们对纠缠的理解，并为利用它研究亚原子世界提供了新的机会。
“有了这项新技术，我们能够以大约十分之一飞米，也就是单个质子十分之一的大小，来测量原子核的大小和形状，”俄亥俄州立大学物理学家、RHIC的STAR实验成员詹姆斯·丹尼尔·勃兰登堡说，新的现象是在这里被观察到的。这比之前对高能原子核的测量精度高10到100倍。
RHIC的设计目的是使重离子（如金原子核）发生碰撞。然而，在这种情况下，研究人员对近距离错失（near miss）而不是碰撞感兴趣。当金原子核以接近光速的速度穿过对撞机时，它们会产生电磁场，从而产生光子。当两个金原子核彼此靠近但不发生碰撞时，光子可能会从相邻的原子核上弹开。STAR合作者、范德比尔特大学物理学家拉加夫·库纳瓦尔卡姆·埃拉亚瓦利说，这些近距离错失事件过去被认为是背景噪声。但观察近距离接触事件“开启了一个最初无法触及的全新的物理学领域”，库纳瓦尔卡姆·埃拉亚瓦利说。
当光子从相邻金离子的原子核上反弹时，它会产生一种非常短寿命的粒子，称为rho，它会迅速衰变成两个称为π介子的粒子，一个带正电，一个带负电。
正π介子可以与由其他原子飞越事件引起的其他正π介子发生干涉。负π介子可以与其他负π介子发生干涉。到目前为止，这一切都是教科书上有的。但接下来事情变得奇怪起来：由于正负π介子是纠缠的，它们也会相互干涉。“他们所做的事情在风格上是不同的，而且很有趣，”哈佛大学研究员协会的理论物理学博士后研究员乔丹·科特勒说，他没有参与这项研究。科特勒说，纠缠和干涉的两步效应并没有违反量子力学的任何基本规则，但它是从这些粒子中提取新信息的一种“更聪明”的方法。
特别是，光子可以像微型激光一样，扫描它们与之碰撞的金离子核。这些相互作用使研究人员能够探测亚原子粒子，例如构成原子中质子和中子的夸克，以及将夸克结合在一起的胶子。物理学家仍然不完全理解质子如何从这种纠缠的粒子混合物中获得诸如质量和自旋（角动量的量子版本）之类的性质。
通过测量π介子的动量，研究人员可以了解光子反弹的物体的密度——在这种情况下，是构成离子核的亚原子粒子。先前尝试使用其他类型的高速粒子进行这些类型的测量，结果得到了令人沮丧的模糊图像。
然而，STAR科学家最近发现，这些实验中的光子是极化的，这意味着它们的电场沿特定方向传播。布鲁克海文国家实验室的物理学家吉孝田（Yoshitaka Hatta）说，这种极化被传递到π介子，并通过量子干涉增强，他没有参与这项研究。通过精确计算极化，研究人员可以从对原子核的测量中消除“模糊”，从而获得更准确的图像。“我们实际上能够看到质子和中子在原子核内的位置差异，”勃兰登堡说。他说，质子倾向于聚集在中心，周围是“外壳”状的中子。
除了原子核的大小之外，这项技术还可以揭示其他细节。例如，质子的自旋超过了构成质子的夸克的自旋，这意味着质子内部存在一些未被解释的因素可以解释剩余的自旋。勃兰登堡说，将夸克结合在一起的胶子可能是罪魁祸首，但科学家们还没有找到一种好方法来了解它们在做什么。展望未来，这项新技术可以更清晰地观察胶子的自旋和其他特性。
“令人惊奇的是，”科特勒说，“这些当代的实验仍在推动我们对量子力学和测量的理解的边界，并为理论和实验开辟新的视野。”