科学家们首次 量子纠缠 观察到夸克之间的粒子融合在一起并失去其个性，以致它们不能再被单独描述的状态。这一非凡的事件是在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室 CERN 实现的，它可以为进一步研究高能粒子中的量子信息铺平道路。

数十年来，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，最容易在低能量或“安静”环境中测量，例如超冷冰箱 量子计算机 容纳。粒子碰撞，例如质子之间的碰撞 大型强子对撞机 来自欧洲核子研究中心的声音相对较大且能量较高，使得测量碎片的纠缠变得更加困难——就像在摇滚音乐会上聆听耳语一样。

为了观察大型强子对撞机上的纠缠，研究阿特拉斯探测器的物理学家分析了大约一百万对顶夸克和反顶夸克——所有已知基本粒子及其反物质粒子中最重的。他们在统计上发现了压倒性的纠缠证据，并于去年九月和今天的《华尔街日报》上宣布了这一点自然 1详细描述。研究大型强子对撞机的另一个主要探测器 CMS 的物理学家也在 6 月份发布在预印本服务器 arXiv 上的一份报告中证实了纠缠观察结果 2。

参与 CMS 分析的印第安纳州西拉斐特市普渡大学的粒子物理学家 Giulia Negro 表示：“这真的很有趣，因为这是第一次可以在最高能量下研究纠缠，这是通过大型强子对撞机实现的。”

科学家们毫不怀疑顶夸克对可能会纠缠在一起。这 粒子物理标准模型 ——当前关于基本粒子及其相互作用力的最佳理论——基于描述纠缠的量子力学。尽管如此，研究人员表示最新的测量结果还是有价值的。

“你真的不指望能够打破量子力学，对吗？”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。 “预期结果不应该阻止你衡量重要的事情。”

瞬态顶部

几年前，在喝咖啡休息的时候，伊利诺伊州芝加哥大学的实验物理学家 Yoav Afik 和马德里康普顿斯大学的固体物质物理学家 Juan Muñoz de Nova 想知道是否有可能在碰撞加速器上观察到纠缠。他们的谈话变成了报纸 3，它演示了一种使用顶夸克测量纠缠的方法。

质子碰撞后产生的顶夸克和反顶夸克对的寿命短得难以想象——只有 10 个−25秒。然后它们分解成寿命更长的颗粒。

之前的研究 4揭示了顶夸克在其短暂的生命周期内可以具有相关的“自旋”态，这是一种量子特性，即角动量。阿菲克和穆尼奥斯·德·诺瓦的见解是，这种测量可以扩展到表明顶夸克的自旋态不仅是相关的，而且实际上是纠缠的。您定义了一个参数，D来描述相关程度。如果D小于−⅓，顶夸克是纠缠的。

阿菲克和穆尼奥斯·德·诺瓦的提议最终取得成功的部分原因是顶夸克的寿命较短。英国格拉斯哥大学实验物理学家詹姆斯·豪沃斯 (James Howarth) 表示：“用较轻的夸克永远无法做到这一点。”他与阿菲克 (Afik) 和穆尼奥斯·德·诺瓦 (Muñoz de Nova) 一起参与了 ATLAS 分析。夸克不喜欢分离，所以它们在 10 年后就分裂了−24数秒开始混合形成强子，例如质子和中子。但豪沃斯解释说，顶夸克衰变得足够快，以至于它没有时间变得“强子化”并通过混合失去自旋信息。相反，“所有这些信息都被转移到其衰变产物中，”他补充道。这意味着研究人员可以测量衰变产物的性质，以逆向推导并推导出母顶夸克的性质，包括自旋。

在对顶夸克的自旋进行实验测量后，研究小组将他们的结果与理论预测进行了比较。但顶夸克产生和衰变的模型与探测器的测量结果不一致。

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，在他们的分析中添加“顶夸克”（顶夸克和反顶夸克结合在一起的假设状态）有助于更好地协调理论和实验。

最终，两个实验都轻松达到了−⅓纠缠极限，ATLASD为-0.537，CMS 为-0.480。

牙冠放置

成功观察顶夸克的纠缠可以提高研究人员对顶夸克物理的理解，并为未来的高能纠缠测试铺平道路。其他粒子，如 希格斯玻色子 ，甚至可以用来进行贝尔测试，这是一项更严格的纠缠研究。

阿菲克说，顶夸克实验可能会改变物理学家的思维方式。他说，“一开始要让社区相信这项研究值得花时间”有点困难。毕竟，纠缠是量子力学的基石，并且已经被一次又一次地验证。

但对于阿菲克和该现象的其他追随者来说，高能区域中的纠缠尚未得到彻底的探索这一事实已经是足够的理由了。 “人们已经意识到，现在可以开始使用强子碰撞加速器和其他类型的加速器进行这些测试，”豪沃斯说。