LHC 实验观察到迄今为止最高能量的量子纠缠

量子纠缠是量子物理学(一种关于极小的理论)的一个迷人特征。如果两个粒子发生量子纠缠，那么无论粒子相距多远，一个粒子的状态都会与另一个粒子的状态相关联。这种令人费解的现象在经典物理学中没有类似物，已在各种系统中观察到，并发现了一些重要的应用，例如量子密码学和量子计算。

2022 年，诺贝尔物理学奖授予了阿兰·阿斯派克特 (Alain Aspect)、约翰·F·克劳泽 (John F. Clauser) 和安东·泽林格 (Anton Zeilinger)，以表彰他们开创性的纠缠光子实验。这些实验证实了已故欧洲核子研究中心理论家约翰·贝尔 (John Bell) 对纠缠表现的预测，开创了量子信息科学。

在大型强子对撞机 (LHC) 等粒子对撞机可达到的高能下，纠缠仍未得到充分探索。在《自然》杂志发表的一篇文章中，ATLAS 合作组报告了他们首次成功在 LHC 上观察到基本粒子顶夸克之间的量子纠缠，并且达到了迄今为​​止的最高能量。

该结果由 ATLAS 于 2023 年 9 月首次报告，并由 CMS 合作项目的两次观测证实，为复杂的量子物理世界开辟了新的视角。

“虽然粒子物理学深深植根于量子力学，但在新的粒子系统中观察到量子纠缠，并且其能量比以前高得多，这非常了不起，”ATLAS 发言人 Andreas Hoecker 表示。“它为对这一迷人现象进行新的研究铺平了道路，随着我们的数据样本不断增加，它开辟了丰富的探索菜单。”

ATLAS 和 CMS 团队观察到顶夸克与其反物质对应物之间的量子纠缠。这些观测基于最近提出的一种方法，该方法使用 LHC 产生的顶夸克对作为研究纠缠的新系统。

顶夸克是已知的最重基本粒子。它通常在与其他夸克结合之前就衰变成其他粒子，将其自旋和其他量子特性转移到其衰变粒子上。物理学家观察并利用这些衰变产物来推断顶夸克的自旋方向。

为了观察顶夸克之间的纠缠，ATLAS 和 CMS 合作组从 2015 年至 2018 年 LHC 第二次运行期间以 13 兆电子伏特能量发生的质子-质子碰撞数据中选择了顶夸克对。他们特别寻找了两个夸克同时产生且彼此粒子动量较低的对。在这种情况下，两个夸克的自旋预计会强烈纠缠。

自旋纠缠的存在和程度可以通过两个夸克带电衰变产物发射方向之间的角度推断出来。通过测量这些角度分离并校正可能改变测量值的实验效应，ATLAS 和 CMS 团队各自观察到了顶夸克之间的自旋纠缠，其统计显著性大于五个标准差。

CMS 合作组在其第二项研究中(目前可在arXiv预印本服务器上查阅)还寻找顶夸克对，其中两个夸克同时产生且相对动量较高。在这个领域，对于大部分顶夸克对，预测两个顶夸克衰变的相对位置和时间是这样的，即以不超过光速运动的粒子之间的经典信息交换被排除在外，并且 CMS 还在这种情况下观察到顶夸克之间的自旋纠缠。

CMS 发言人帕特里夏·麦克布莱德 (Patricia McBride) 表示：“通过测量新粒子系统中以及超出以前可及的能量范围内的纠缠和其他量子概念，我们可以用新的方式测试粒子物理学的标准模型，并寻找可能超越它的新物理学迹象。”