物理学家证实，已知最重的基本粒子顶夸克之间存在量子纠缠

诸平

Experimenting with entanglement: The inside of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider. Rochester physicists working at the detector have observed spin entanglement between top quarks and top antiquarks persisting at long distances and high speeds. Credit: Maximilien Brice, CERN

据美国罗切斯特大学（University of Rochester）2024年6月14日提供的消息，物理学家证实，已知最重的基本粒子顶夸克之间存在量子纠缠（Physicists confirm quantum entanglement persists between top quarks, the heaviest known fundamental particles）。

由罗彻斯特大学物理学教授里贾纳·德米纳（Regina Demina）领导的一组物理学家进行的一项实验，产生了与量子纠缠（quantum entanglement）有关的重要结果，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）将量子纠缠称之为“幽灵般的超距作用”（"spooky action at a distance"）。

纠缠涉及相互作用但又分开的微小粒子的协调行为。测量被分离的一对粒子中的一个的位置、动量或自旋等特性，会立即改变另一个粒子的结果，不管第二个粒子离它的孪生粒子漂移了多远。实际上，一个纠缠粒子（entangled particle）或量子位（qubit）的状态与另一个是不可分割的。

在稳定粒子(如光子或电子)之间已经观察到量子纠缠。但是里贾纳·德米纳和她的团队首次发现，在不稳定的顶夸克（top quarks）和它们的反物质伙伴之间，纠缠持续存在的距离比以光速传输的信息所能覆盖的距离还要远。具体来说，研究人员观察到粒子之间的自旋相关性。

因此，这些粒子展示了爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”。

量子探索的“新途径”（A 'new avenue' for quantum exploration）

这一发现是由欧洲核子研究中心(European Center for Nuclear Research简称CERN)的紧凑型介子螺线管(Compact Muon Solenoid简称CMS)合作项目报告的（was reported），其该实验是在CERN进行的。

报告写道:“确认最重的基本粒子——顶夸克之间的量子纠缠（quantum entanglement），为探索我们世界的量子本质开辟了一条新的途径，其能量远远超出了我们所能达到的范围。”

位于瑞士日内瓦（Geneva, Switzerland）附近的欧洲核子研究中心（CERN）是世界上最大的粒子物理实验室。顶夸克的产生需要在大型强子对撞机(Large Hadron Collider简称LHC)上获得非常高的能量，这使得科学家能够以接近光速的速度在17英里的地下轨道上发射高能粒子。

纠缠现象已经成为新兴的量子信息科学领域的基础，在密码学（cryptography）和量子计算等领域具有广泛的影响。

顶夸克，每个都和金原子一样重，只能在对撞机上产生，比如大型强子对撞机（LHC），因此不太可能被用来建造量子计算机。但是，像里贾纳·德米纳和她的团队所做的研究可以揭示纠缠持续多久，它是传递给粒子的“子粒子”（"daughters"）还是衰变产物，以及如果有的话，最终是什么打破了纠缠。

理论学家认为，在最初的快速膨胀阶段之后，宇宙处于纠缠态。里贾纳·德米纳和她的研究人员观察到的新结果，可以帮助科学家了解是什么导致了我们世界中量子连接的丧失。

量子远距离关系中的顶夸克（Top quarks in quantum long-distance relationships）

里贾纳·德米纳为CMS的社交媒体频道录制了一段视频来解释她的小组的结果。她将它比喻为一个遥远国度的优柔寡断的国王，并称其为“顶王”（"King Top"）。

“顶王”得到消息，它的国家被入侵，所以它派使者告诉它地盘上的所有人准备防御。但随后，里贾纳·德米纳在视频中解释说，它改变了主意，派人命令人们退出。

“‘顶王’总是这样反复无常，没人知道他下一刻会做出什么决定，”里贾纳·德米纳说。

里贾纳·德米纳继续解释，没有人，除了这个王国一个村庄被称为“反顶”（"Anti-Top"）的首领。

“他们随时都知道对方的心理状态，”里贾纳·德米纳说。

里贾纳·德米纳的研究小组由她自己和研究生艾伦·埃雷拉（Alan Herrera）以及博士后奥托·欣德里奇斯（Otto Hindrichs）组成。

作为一名研究生，里贾纳·德米纳是1995年发现顶夸克的团队中的一员。后来，作为罗彻斯特大学的一名教员，里贾纳·德米纳与来自美国各地的科学家共同领导了一个追踪设备（tracking device），该设备在2012年发现希格斯玻色子(the 2012 discovery of the Higgs boson)——一种有助于解释宇宙质量起源的基本粒子——中发挥了关键作用。

作为CMS合作项目（CMS Collaboration）的一部分，罗切斯特的研究人员在欧洲核子研究中心有着悠久的历史，该项目汇集了来自世界各地的物理学家。最近，罗切斯特大学的另一个研究小组在测量电弱混合角（electroweak mixing angle）方面取得了重要的里程碑，电弱混合角是粒子物理标准模型（Standard Model of Particle Physics）的一个重要组成部分，它解释了物质的组成部分是如何相互作用的。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。注意：摘要（Abstract）中有些显示可能有误，请参考下面截图。

More information: CMS Physics Analysis Summary:

CMS Collaboration. Measurements of polarization, spin correlations, and entanglement in top quark pairs using lepton+jets events from pp collisions at √s=13 TeV. CMS-PAS-TOP-23-007. 13 June 2024.

Abstract:

Measurements of the polarization and spin correlations in top quark pairs (t¯t) are presented using events with a single electron or muon and jets in the final state. The measurements are based on proton-proton collision data from the LHC at √s= 13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb⁻¹. All coefficients of the polarization vectors and the spin correlation matrix are extracted simultaneously by performing a binned likelihood fit to the data. The measurement is performed in bins of additional observables such as the mass of the t¯t system and the top quark scattering angle. Inclusive coefficients are obtained by combining the results of all fitted bins. From the measured spin correlations, conclusions on the t¯t spin entanglement are drawn. The standard model predicts entangled spin t¯t states at the production threshold and at high masses of the t¯t system. Entanglement is observed for the first time in events with high t¯t mass, with an observed (expected) significance of 6.7 (5.6) standard deviations. The observed level of entanglement cannot be explained by classical exchange of information between the two particles alone. The observed (expected) significance for entanglement attributable to space-like separated t¯t pairs is 5.4 (4.1) standard deviations.

Links: CDS record (PDF) ; CADI line (restricted)