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位于地下100米的ATLAS探測(cè)器是LHC的一部分，用于測(cè)量高能粒子的各種性質(zhì)。圖片來(lái)源：Maximilien Brice/歐洲核子研究中心科學(xué)家首次觀察到夸克間的量子糾纏，這是一種粒子相互混雜、失去各自特性，從而無(wú)法再被單獨(dú)描述的狀態(tài)。瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）取得的這一成就，可能為進(jìn)一步探索高能粒子中的量子信息打開大門。幾十年來(lái)，人們一直在測(cè)量電子和光子等粒子的糾纏現(xiàn)象，這種微妙的現(xiàn)象在安靜或低能量的環(huán)境中最容易測(cè)量，比如在存放量子計(jì)算機(jī)的超冷冰箱中。而粒子碰撞相對(duì)來(lái)說(shuō)是嘈雜和高能量的，這使得在它們的碎片中測(cè)量糾纏變得更加困難，就像在搖滾音樂(lè)會(huì)上聽(tīng)悄悄話一樣。為了在CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上觀察糾纏現(xiàn)象，物理學(xué)家通過(guò)ATLAS（超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)）探測(cè)器分析了大約100萬(wàn)對(duì)頂夸克和反頂夸克，它們是已知最重的基本粒子及其反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物。他們發(fā)現(xiàn)了糾纏的關(guān)鍵證據(jù)，并在9月18日的《自然》上對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)描述。在預(yù)印本平臺(tái)arXiv于6月公布的一份報(bào)告中，負(fù)責(zé)LHC的另一個(gè)主要探測(cè)器CMS（緊湊渺子線圈）的物理學(xué)家也證實(shí)了這一糾纏觀測(cè)結(jié)果?！斑@真的很有趣，因?yàn)檫@是第一次用LHC在最高能量下研究糾纏。”美國(guó)普渡大學(xué)從事CMS分析的粒子物理學(xué)家Giulia Negro說(shuō)?？茖W(xué)家毫不懷疑頂夸克對(duì)是可以糾纏的。幾年前，美國(guó)芝加哥大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Yoav Afik和西班牙馬德里康普頓斯大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家Juan Munoz de Nova曾討論過(guò)能否在對(duì)撞機(jī)上觀察到糾纏。他們提出了一種用頂夸克測(cè)量糾纏的方法，并最終以論文形式發(fā)表。質(zhì)子碰撞后產(chǎn)生的頂夸克和反頂夸克對(duì)壽命極短，僅持續(xù)10-25秒。之后，它們會(huì)衰變成壽命更長(zhǎng)的粒子。此前研究發(fā)現(xiàn)，在它們短暫的生命周期內(nèi)，頂夸克可以進(jìn)行自旋—— 一種類似于角動(dòng)量的量子特性。Afik和Munoz de Nova于是便定義了一個(gè)參數(shù)D描述自旋的程度。如果D小于-1/3，則頂夸克將被糾纏。英國(guó)格拉斯哥大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家James Howarth一同參與了ATLAS的分析。他表示，夸克確實(shí)不喜歡被分開，所以僅僅在10-24秒后，它們就開始相互混合并形成強(qiáng)子，如質(zhì)子和中子。但頂夸克衰變得非?？欤灾劣谕耆珱](méi)有時(shí)間“強(qiáng)子化”，并通過(guò)混合失去其自旋信息，而這些信息都被“轉(zhuǎn)移到其衰變的粒子上”。這意味著研究人員可以反向測(cè)量衰變產(chǎn)物的性質(zhì)，并推斷上一代頂夸克的性質(zhì)，包括自旋。在對(duì)頂夸克自旋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量后，研究小組將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。但是頂夸克產(chǎn)生和衰變的模型與探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果不符。為應(yīng)對(duì)不確定性，ATLAS和CMS的研究人員以不同方式開展了實(shí)驗(yàn)。CMS團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在分析中添加“拓?fù)渥印薄?一種假設(shè)的頂夸克和反頂夸克結(jié)合在一起的狀態(tài)，有助于理論和實(shí)驗(yàn)更好地達(dá)成一致。最后，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都很容易地達(dá)到了-1/3的糾纏極限——ATLAS測(cè)量的D值為-0.537，CMS測(cè)量的D值為-0.480。成功觀測(cè)到頂夸克糾纏可以加深研究人員對(duì)頂夸克物理學(xué)的理解，并為未來(lái)的高能糾纏測(cè)試鋪平道路。甚至可以用希格斯玻色子等其他粒子進(jìn)行貝爾測(cè)試，這是一種更嚴(yán)格的糾纏探測(cè)。Afik說(shuō)，頂夸克實(shí)驗(yàn)可能會(huì)改變物理學(xué)家的想法，這項(xiàng)研究是值得花時(shí)間完成的。畢竟，糾纏是量子力學(xué)的基石，并且已經(jīng)一次次地被證實(shí)。Howarth補(bǔ)充說(shuō)：“人們已經(jīng)意識(shí)到，現(xiàn)在可以使用強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和其他類型的對(duì)撞機(jī)進(jìn)行這些測(cè)試?！毕嚓P(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z