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位于地下100米的ATLAS探测器是LHC的一部分，用于测量高能粒子的各种性质。图片来源：Maximilien Brice/欧洲核子研究中心

科学家首次观察到夸克间的量子纠缠，这是一种粒子相互混杂、失去各自特性，从而无法再被单独描述的状态。瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）取得的这一成就，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，人们一直在测量电子和光子等粒子的纠缠现象，这种微妙的现象在安静或低能量的环境中最容易测量，比如在存放量子计算机的超冷冰箱中。而粒子碰撞相对来说是嘈杂和高能量的，这使得在它们的碎片中测量纠缠变得更加困难，就像在摇滚音乐会上听悄悄话一样。

为了在CERN的大型强子对撞机（LHC）上观察纠缠现象，物理学家通过ATLAS（超环面仪器实验）探测器分析了大约100万对顶夸克和反顶夸克，它们是已知最重的基本粒子及其反物质对应物。他们发现了纠缠的关键证据，并在9月18日的《自然》上对其进行了详细描述。在预印本平台arXiv于6月公布的一份报告中，负责LHC的另一个主要探测器CMS（紧凑渺子线圈）的物理学家也证实了这一纠缠观测结果。

“这真的很有趣，因为这是第一次用LHC在最高能量下研究纠缠。”美国普渡大学从事CMS分析的粒子物理学家Giulia Negro说。

科学家毫不怀疑顶夸克对是可以纠缠的。几年前，美国芝加哥大学实验物理学家Yoav Afik和西班牙马德里康普顿斯大学凝聚态物理学家Juan Munoz de Nova曾讨论过能否在对撞机上观察到纠缠。他们提出了一种用顶夸克测量纠缠的方法，并最终以论文形式发表。

质子碰撞后产生的顶夸克和反顶夸克对寿命极短，仅持续10-25秒。之后，它们会衰变成寿命更长的粒子。

此前研究发现，在它们短暂的生命周期内，顶夸克可以进行自旋—— 一种类似于角动量的量子特性。Afik和Munoz de Nova于是便定义了一个参数D描述自旋的程度。如果D小于-1/3，则顶夸克将被纠缠。

英国格拉斯哥大学实验物理学家James Howarth一同参与了ATLAS的分析。他表示，夸克确实不喜欢被分开，所以仅仅在10-24秒后，它们就开始相互混合并形成强子，如质子和中子。但顶夸克衰变得非常快，以至于完全没有时间“强子化”，并通过混合失去其自旋信息，而这些信息都被“转移到其衰变的粒子上”。这意味着研究人员可以反向测量衰变产物的性质，并推断上一代顶夸克的性质，包括自旋。

在对顶夸克自旋进行实验测量后，研究小组将实验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符。

为应对不确定性，ATLAS和CMS的研究人员以不同方式开展了实验。CMS团队发现，在分析中添加“拓扑子”—— 一种假设的顶夸克和反顶夸克结合在一起的状态，有助于理论和实验更好地达成一致。

最后，这两个实验都很容易地达到了-1/3的纠缠极限——ATLAS测量的D值为-0.537，CMS测量的D值为-0.480。

成功观测到顶夸克纠缠可以加深研究人员对顶夸克物理学的理解，并为未来的高能纠缠测试铺平道路。甚至可以用希格斯玻色子等其他粒子进行贝尔测试，这是一种更严格的纠缠探测。

Afik说，顶夸克实验可能会改变物理学家的想法，这项研究是值得花时间完成的。毕竟，纠缠是量子力学的基石，并且已经一次次地被证实。Howarth补充说：“人们已经意识到，现在可以使用强子对撞机和其他类型的对撞机进行这些测试。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z