作者：陳佳君

當兩個微觀粒子糾纏在一起時， 無論它們相距多遠，你只要測量了其中一個粒子的狀態，就會立即知道另一個粒子的狀態。這種令人匪夷所思的關聯便是著名的量子糾纏，也被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。

物理學家早已在各種系統中觀察到了量子糾纏，2022年的諾貝爾物理學獎也授予了三位研究量子糾纏的物理學家。但在過去的幾十年里，物理學家一直都是在低能量的環境下研究像電子、光子等常規粒子之間的糾纏。而在高能量環境中，比如在大型強子對撞機（LHC)中，想要從粒子對撞產生的大量更小的粒子中測量到它們量子糾纏效應卻是非常困難的。

試想一下，假如你在一個寧靜的公園和朋友安靜地聊天，你可以輕易地聽到彼此的聲音。但如果你是在一個搖滾音樂會上進行同樣的對話，由于音樂震耳欲聾，現場的聽眾跟著大喊大叫，你幾乎很難聽到你朋友的聲音。盡管如此，物理學家卻絲毫不懷疑他們可以在高能環境中觀察到糾纏現象。

現在，一項于2024年9月18日發表在《自然》雜志上的研究表明，在大型強子對撞機進行實驗的物理學家終于首次觀察到了頂夸克之間的糾纏。

那么，什么是夸克呢？夸克是宇宙中已知最基本的粒子之一，也就是說它們無法被進一步分割成更小的粒子?？淇擞?種味，分別被稱為上（u）、下（d）、粲（c）、奇異（s）、頂（t）和底（b）， 它們各自有與之對應的攜帶相反電荷的反粒子。

圖：夸克的六種味，以及它們對應的反粒子。

夸克之間的糾纏是非常難以捉摸的，這是因為單獨的夸克從來不會被孤立地觀察到?？淇丝偸桥c另一種被稱為膠子的基本粒子，在自然界的基本力之一——強力的作用下，緊緊地束縛在一起，構成強子，比如我們熟悉的質子和中子。

但頂夸克卻給了物理學家觀察糾纏的機會。為什么呢？首先，頂夸克是已知最重的基本粒子，質量約為質子的184倍。這就使它變得極其不穩定，它的平均壽命只有~5×10?2?秒，通常在來不及與其他夸克結合之前就會衰變成其他更加穩定的粒子。其次，在頂夸克衰變成其他粒子時，它也會將自旋和其他量子特征傳遞給衰變的粒子。自旋是粒子的基本量子特性，屬于粒子角動量的一部分。這就意味著研究人員可以通過測量衰變粒子的屬性，來推斷出頂夸克的屬性，包括自旋。

那么頂夸克是如何產生的呢？在LHC中，質子會被加速到接近光速。當兩個質子以極高的能量撞在一起時，就會產生夸克和膠子。如果兩個膠子碰撞，它們可以融合成一個膠子，接著產生頂夸克對，也就是一個頂夸克和一個反頂夸克。剛才我們提到，它們的壽命是非常短的，所以它們會立即衰變成一個底夸克、一個反底夸克和兩個被稱為W玻色子的基本粒子。最后，W玻色子會衰變成粒子和中微子對，比如一個電子和一個反中微子，或者衰變成一個反μ子和一個μ子中微子。通過測量被探測到的帶電輕子（比如電子和反μ子等）的角度分布，研究人員就可以確定產生它們的頂夸克對是否糾纏在一起。

圖：質子對撞會產生一系列的粒子。（圖片素材：Nature）

具體來說，研究人員定義了一個參數D，用于量化頂夸克和反頂夸克之間的自旋關聯程度，這個值是通過觀察衰變產生的帶電輕子的角度來推斷的。當研究者測量到D小于?1/3 時，這意味著存在一種足夠強的自旋關聯性，從而證明頂夸克對處于糾纏態。

大型強子對撞機的ATLAS合作組從質子-質子對撞的數據中分析了100萬對頂夸克對。這些數據是在2015年到2018年LHC第二次運行期間收集的。結果表明，D=-0.537，統計不確定性僅為±0.002，系統不確定性為±0.019。換據說話，研究人員首次觀測到了頂夸克與它的反粒子之間的量子糾纏，統計顯著性高于5個標準差。

在新的粒子系統中觀測到量子糾纏，并且在前所未有的能量范圍內進行測量，是非常重要的。因為它可以讓物理學家以全新的方式來檢驗粒子物理學的標準模型，并有可能最終指引物理學家尋找到超越標準模型的蛛絲馬跡。

論文連接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07824-z

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者名稱： 陳佳君

審核： 羅會仟 中科院物理所研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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