存在时间不到心跳的粒子为物理学家提供了一种新方法来检验量子理论中最令人费解的预测之一。
牛津大学的物理学家和一个国际研究小组发现了 CERN 大型强子对撞机 (LHC) 产生的 Z 玻色子对之间存在量子纠缠的有力证据。
这一结果将量子物理学中最违反直觉的效应之一的实验证据扩展到质量极大且寿命极短的粒子。该研究使用来自 ATLAS 实验的数据来检查希格斯玻色子衰变时产生的 Z 玻色子。
每个 Z 玻色子在衰变成其他粒子之前仅存活一小部分，但对这些衰变产物的测量揭示了量子纠缠所预期的特征相关性。
该发现发表于 物理评论信提供迄今为止最高能量的量子纠缠演示之一。
它还强化了使用粒子对撞机作为实验室在远离传统量子实验的条件下研究量子力学的理由。
极端能量下的纠缠测试
量子纠缠描述了即使粒子分离，其量子态仍保持相关的粒子之间的关系。
测量一个粒子可以提供有关其纠缠伙伴的信息，而这种方式无法通过将两个粒子视为完全独立的系统来解释。
这种现象已经在涉及俘获光子、电子和离子的系统中观察到。它也是围绕量子计算、通信和检测开发的技术的基础。
然而，到目前为止，仍然存在一个重要问题：当粒子在粒子对撞机的异常高能和混沌环境中产生时，纠缠是否仍然存在？
ATLAS 研究人员通过研究希格斯玻色子衰变产生的 Z 玻色子对来研究这个问题。当质子在大型强子对撞机内碰撞时，能量达到 13 万亿电子伏，就会产生希格斯粒子。
Z玻色子提供新的量子证明
Z玻色子是产生弱核力的基本粒子之一。它们也极其不稳定，几乎在生产后立即消失。
这种转瞬即逝的存在并不妨碍阿特拉斯对它们的研究。相反，研究人员通过分析 Z 玻色子衰变时产生的粒子来重建发生的情况。
在这种情况下，Z 玻色子最终产生电子对或 μ 子。通过检查这些粒子在碰撞中出现的方向，物理学家能够重建有关原始 Z 玻色子自旋的信息。
由此产生的测量结果有力地证明了 Z 玻色子是纠缠在一起的。
这很重要，因为它表明量子纠缠并不局限于相对孤立和仔细控制的实验室系统。这种效应也可以在人类能够产生的一些最具能量的碰撞之间产生的重粒子中看到。
基于顶夸克实验
牛津大学的贡献建立在之前探索粒子加速器是否可以重新用作大型量子实验的工作的基础上。
牛津大学物理系教授艾伦·巴尔（Alan Barr）是提出利用高能粒子碰撞来研究量子纠缠的研究人员之一。这种方法促成了 2023 年 ATLAS 的测量，证明了顶夸克对之间存在纠缠。
顶夸克是已知最重的基本粒子。最新的研究将这种方法扩展到 Z 玻色子，为研究根本不同的粒子系统中的量子行为提供了另一个机会。
该论文还强调了粒子物理学和量子信息科学之间日益增长的重叠。为理解量子信息而开发的技术可能提供从巨大的对撞机数据集中提取微妙相关性的新方法。
量子纠缠可以帮助发现新的物理学吗？
结果的直接重要性是基础性的，而不是技术性的。该实验并不意味着纠缠的Z玻色子系统可以直接转换成量子计算机或通信设备。
相反，它为物理学家提供了另一种方法来测试量子力学在极端条件下是否仍按预期运行。
当研究人员寻找标准模型（当前用于描述基本粒子及其相互作用的框架）之外的物理学证据时，这可能特别有价值。
对量子相关性的极其精确的测量可能会暴露传统分析可能遗漏的偏差。
牛津大学的研究人员还参与了一个更广泛的跨学科项目，研究量子力学、测量和高能现实的本质。
未来还有更强大的测试
ATLAS 探测器正在进行重大升级，而大型强子对撞机 (LHC) 正在向高亮度阶段发展。
由此产生的碰撞数据的增加应该为物理学家提供更多的机会以前所未有的能量研究量子现象。
对于量子纠缠，最新结果标志着实验领域的重要转变。曾经主要使用相对精密的实验室系统进行研究的内容现在可以通过基本粒子的剧烈碰撞进行研究。
研究结果表明，即使所涉及的粒子存在的时间几乎不可估量，纠缠仍然非常牢固。