量子纠缠是量子物理学中最迷人的现象之一。如果两个粒子发生了纠缠，无论它们相距多远，其中一个粒子的状态都会与另一个粒子的状态联系在一起。这种令人匪夷所思的现象在经典物理学中甚至找不到相似的对应。
人们已经在各种系统中观察到了量子纠缠，也发现了一些重要的应用。2022年，阿兰·阿斯佩特（Alain Aspect）、约翰·克劳泽（John Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger）因为纠缠光子的突破性实验而获得了诺贝尔物理学奖。这些实验不仅证实了理论学家约翰·贝尔（John Bell）对纠缠的预测，还开创了量子信息科学的先河。
但还有一些尚未被探索的领域有待研究。几十年来，人们一直在测量电子和光子等粒子中的纠缠。作为纠缠这种微妙的现象，在能量比较低的环境中最容易测量，比如超低温的环境下。
而像大型强子对撞机（LHC）这样的粒子对撞机则能达到嘈杂的极高能量状态，因此很难从碎片中测量，这就好比你想在一场摇滚演唱会里听清有人在说悄悄话一样。但科学家毫不怀疑夸克这样的粒子也可以发生纠缠，毕竟粒子物理学深深植根于量子力学之上。
现在，科学家首次在LHC上观测到了夸克之间的量子纠缠，是顶夸克和它的反物质伙伴反顶夸克的纠缠。ATLAS团队于2023年9月首次报告了这一结果，此后CMS合作组的两次观测进行了验证。这为复杂的量子物理世界开辟了新的视角。研究已发表在《自然》上。
顶夸克的纠缠
顶夸克是已知的6味夸克中的一个，也是已知的最重的基本粒子。它们是质子对撞的产物，但寿命非常短，只有10⁻²⁵秒，通常在来不及与其他夸克结合之前就会衰变成其他粒子，最常见的是产生一个底夸克、一个反底夸克和两个W玻色子。随后W玻色子会衰变为粒子-中微子对，比如一个电子和一个反中微子，或者一个反μ子和一个μ子中微子。与此同时，顶夸克也会将自旋和其他量子特征传递给衰变粒子。
而物理学家可以利用这些衰变产物来推断顶夸克的自旋方向。先前的研究还发现，通过测量自旋，可以确定顶夸克是不是真的纠缠在了一起。自旋纠缠的存在和程度可以从两个夸克的带电衰变产物发射方向之间的角度推断出来。
探测纠缠夸克的实验示意图。
ATLAS合作组从质子-质子对撞的数据中分析了100万对顶夸克对。它们是在2015年到2018年LHC第二次运行期间，以13万亿电子伏特的能量下发生的。他们特别寻找了有两个夸克同时产生且粒子动量相对较小的对，处于这种情况下的两个夸克的自旋，很有可能发生强烈的纠缠。
通过测量衰变产物发射角度，同时根据实验效应进行校正，ATLAS和CMS团队都观测到了顶夸克与它的反物质之间的量子纠缠，统计显著性大于5个标准差。
在另一项研究中，CMS合作组还寻找了一些特别的顶夸克对，在这些顶夸克对中，两个夸克以相对于彼此的高动量同时产生。在这种情况下，对于很大一部分顶夸克对来说，两个顶夸克衰变的相对位置和时间预计应该排除了不超过光速运动的粒子的经典信息交换的可能性。CMS在这种情况下也观测到了顶夸克之间的自旋纠缠。
更多夸克纠缠
虽然这项研究仅仅涉及顶夸克，但它为更广泛的夸克纠缠提供了重要基础。在新的粒子系统中观测到量子纠缠，并且在前所未有的能量范围内进行测量，为研究更多粒子纠缠铺平了道路。
此外，我们知道强力是自然界中已知的四种基本力之一，它负责将夸克和胶子紧紧地结合在一起形成质子或中子。然而，强力理论中还有一个核心问题，那就是物理学家从未观测到过单个的夸克和胶子，它们只能以禁闭态“强子”的形式出现，总色荷为零。这种机制被称为色禁闭。也有人提出，色禁闭本身可以理解为携带色电荷的粒子能够纠缠的极限。因此，探索夸克纠缠最终也可能有望解开强力之谜。
#创作团队：
撰文：Takeko
排版：雯雯
#参考来源：
https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet
https://www.nature.com/articles/d41586-024-02973-7
https://www.nature.com/articles/d41586-024-02801-y
#图片来源：
封面图&首图：CERN
