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2024年9月18日
量子壮举:物理学家首次观察到纠缠夸克
大型强子对撞机上的粒子测量打开了未来高能纠缠测试的大门。
丹·加里斯托 
这个100吨重的轮子被放在欧洲粒子物理研究所LHC层的阿特拉斯洞穴地下80米处。
ATLAS探测器是大型强子对撞机的一部分，位于地下100米，在那里测量高能粒子的各种属性。鸣谢:Maximilien Brice/CERN
科学家首次观察到夸克之间的量子纠缠——一种粒子混合在一起的状态，失去了它们的个性，因此它们不再能够被单独描述。这项成就是在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN取得的，它可能为进一步探索高能粒子中的量子信息打开大门。
几十年来，人们一直在电子和光子等粒子中测量纠缠，但这是一种微妙的现象，最容易在低能或“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，例如欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机中质子之间的碰撞，相对来说噪音较大且能量较高，这使得从碎片中测量纠缠变得更加困难——就像在摇滚音乐会上倾听耳语一样。
为了观察LHC的纠缠，从事ATLAS探测器工作的物理学家分析了大约100万对顶夸克和反顶夸克——所有已知基本粒子及其反物质对应物中最重的一种。他们发现了统计上压倒性的缠结证据，这是他们在去年9月宣布的，并在今天的《自然》杂志上详细描述了。在LHC的另一个主要探测器CMS上工作的物理学家也在6月2日发布到预印本服务器arXiv上的一份报告中证实了纠缠观测。
“这真的很有趣，因为这是你第一次可以用LHC获得的最高能量来研究纠缠，”印第安纳州西拉斐特普渡大学的粒子物理学家朱利亚·内格罗说，他从事CMS分析。
科学家们毫不怀疑顶夸克对可以纠缠在一起。粒子物理学的标准模型——目前关于基本粒子及其相互作用的力的最佳理论——建立在描述纠缠的量子力学之上。但是研究人员说，最新的测量仍然是有价值的。
“你不会真的指望打破量子力学吧？”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。"有一个预期的结果不能阻止你去衡量重要的事情."
瞬态顶部
几年前的一次喝咖啡休息时，现在伊利诺伊州芝加哥大学的实验物理学家Yoav Afik和现在马德里康普顿斯大学的凝聚态物理学家Juan muoz de Nova想知道是否有可能在对撞机上观察到纠缠。他们的聊天变成了一篇论文，提出了一条利用顶夸克测量纠缠的途径。
质子碰撞后产生的顶夸克和反顶夸克的寿命极短，只有1025秒。然后它们衰变为寿命更长的粒子。
先前的研究4发现，在它们短暂的生命中，顶夸克可能具有相关的“自旋”，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的自旋并不一定相关，而是真正纠缠在一起。他们定义了一个参数D来描述相关程度。如果d小于−⅓，顶夸克就会被纠缠。
最终使阿菲克和穆尼奥斯·德·诺瓦的提议成功的部分原因是顶级夸克的寿命很短。英国格拉斯哥大学的实验物理学家詹姆斯·豪沃思说:“用较轻的夸克永远做不到这一点。”他与阿菲克和穆尼奥斯·德·诺瓦一起参与了ATLAS分析。夸克确实不喜欢被分离，所以仅仅过了1024秒，它们就开始相互混合，形成质子和中子等强子。但是一个顶夸克衰变得足够快，以至于它没有时间通过混合来“强子化”和丢失它的自旋信息，Howarth说。相反，他补充道，所有这些信息都“转移到了衰变粒子中”。这意味着研究人员可以测量衰变产物的性质，以逆向工作，并推断母顶夸克的性质，包括自旋。
在对顶夸克自旋进行了实验测量后，研究小组将他们的结果与理论预测进行了比较。但是顶夸克产生和衰变的模型与探测器的测量结果不匹配。
ATLAS和CMS的研究人员以不同的方式应对不确定性。例如，CMS团队发现，将“topo nium”——一种顶夸克和反顶夸克束缚在一起的假设状态——添加到其分析中有助于理论和实验更好地一致。
最终，两个实验都轻松达到了−⅓纠缠极限，ATLAS测得的d为0.537，CMS测得的d为0.480。
打顶
在顶夸克中观察纠缠的成功可以提高研究人员对顶夸克物理的理解，并为未来纠缠的高能测试铺平道路。其他粒子，如希格斯玻色子，甚至可以用来进行贝尔测试，这是一种更严格的纠缠探测。
阿菲克说，顶夸克实验可能会改变物理学家的想法。他说，“在开始的时候，让社区相信这项研究是值得的”有点困难。毕竟，纠缠是量子力学的基石，已经被一次又一次地验证过。
但是，对于阿菲克和这一现象的其他爱好者来说，纠缠在高能下还没有被严格探索的事实已经足够证明了。“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做这些测试，”豪沃思说。
doi:https:///10.1038/d41586-024-02973-7
阅读相关新闻和观点:“夸克显示量子纠缠在高能量下成立”。
参考
1.ATLAS协作。https:///10.1038/s41586-024-07824-z自然杂志(2024)。
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2.CMS协作。https:///10.48550/arXiv.2406.03976 arXiv的预印本(2024)。
3.阿菲克，y和德诺瓦，J. R. M. Eur。物理杂志加136，907 (2021)。
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4.G.Aad等,《列特物理评论》。114, 142001 (2015).
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