量子糾纏是量子物理學中最迷人的現象之一。如果兩個粒子發生了糾纏，無論它們相距多遠，其中一個粒子的狀態都會與另一個粒子的狀態聯絡在一起。這種令人匪夷所思的現象在經典物理學中甚至找不到相似的對應。
人們已經在各種系統中觀察到了量子糾纏，也發現了一些重要的應用。2022年，阿蘭·阿斯佩特（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John Clauser）和安東·塞林格（Anton Zeilinger）因為糾纏光子的突破性實驗而獲得了諾貝爾物理學獎。這些實驗不僅證實了理論學家約翰·貝爾（John Bell）對糾纏的預測，還開創了量子資訊科學的先河。
但還有一些尚未被探索的領域有待研究。幾十年來，人們一直在測量電子和光子等粒子中的糾纏。作為糾纏這種微妙的現象，在能量比較低的環境中最容易測量，比如超低溫的環境下。
而像大型強子對撞機（LHC）這樣的粒子對撞機則能達到嘈雜的極高能量狀態，因此很難從碎片中測量，這就好比你想在一場搖滾演唱會里聽清有人在說悄悄話一樣。但科學家毫不懷疑夸克這樣的粒子也可以發生糾纏，畢竟粒子物理學深深植根於量子力學之上。
現在，科學家首次在LHC上觀測到了夸克之間的量子糾纏，是頂夸克和它的反物質夥伴反頂夸克的糾纏。ATLAS團隊於2023年9月首次報告了這一結果，此後CMS合作組的兩次觀測進行了驗證。這為複雜的量子物理世界開闢了新的視角。研究已發表在《自然》上。
頂夸克的糾纏
頂夸克是已知的6味夸克中的一個，也是已知的最重的基本粒子。它們是質子對撞的產物，但壽命非常短，只有10⁻²⁵秒，通常在來不及與其他夸克結合之前就會衰變成其他粒子，最常見的是產生一個底夸克、一個反底夸克和兩個W玻色子。隨後W玻色子會衰變為粒子-中微子對，比如一個電子和一個反中微子，或者一個反μ子和一個μ子中微子。與此同時，頂夸克也會將自旋和其他量子特徵傳遞給衰變粒子。
而物理學家可以利用這些衰變產物來推斷頂夸克的自旋方向。先前的研究還發現，透過測量自旋，可以確定頂夸克是不是真的糾纏在了一起。自旋糾纏的存在和程度可以從兩個夸克的帶電衰變產物發射方向之間的角度推斷出來。
探測糾纏夸克的實驗示意圖。
ATLAS合作組從質子-質子對撞的資料中分析了100萬對頂夸克對。它們是在2015年到2018年LHC第二次執行期間，以13萬億電子伏特的能量下發生的。他們特別尋找了有兩個夸克同時產生且粒子動量相對較小的對，處於這種情況下的兩個夸克的自旋，很有可能發生強烈的糾纏。
透過測量衰變產物發射角度，同時根據實驗效應進行校正，ATLAS和CMS團隊都觀測到了頂夸克與它的反物質之間的量子糾纏，統計顯著性大於5個標準差。
在另一項研究中，CMS合作組還尋找了一些特別的頂夸克對，在這些頂夸克對中，兩個夸克以相對於彼此的高動量同時產生。在這種情況下，對於很大一部分頂夸克對來說，兩個頂夸克衰變的相對位置和時間預計應該排除了不超過光速運動的粒子的經典資訊交換的可能性。CMS在這種情況下也觀測到了頂夸克之間的自旋糾纏。
更多夸克糾纏
雖然這項研究僅僅涉及頂夸克，但它為更廣泛的夸克糾纏提供了重要基礎。在新的粒子系統中觀測到量子糾纏，並且在前所未有的能量範圍內進行測量，為研究更多粒子糾纏鋪平了道路。
此外，我們知道強力是自然界中已知的四種基本力之一，它負責將夸克和膠子緊緊地結合在一起形成質子或中子。然而，強力理論中還有一個核心問題，那就是物理學家從未觀測到過單個的夸克和膠子，它們只能以禁閉態“強子”的形式出現，總色荷為零。這種機制被稱為色禁閉。也有人提出，色禁閉本身可以理解為攜帶色電荷的粒子能夠糾纏的極限。因此，探索夸克糾纏最終也可能有望解開強力之謎。
#創作團隊：
撰文：Takeko
排版：雯雯
#參考來源：
https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet
https://www.nature.com/articles/d41586-024-02973-7
https://www.nature.com/articles/d41586-024-02801-y
#圖片來源：
封面圖&首圖：CERN
