首次观测到夸克纠缠

世平

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

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。