继光子之后，科学家再度绘制出质子中的量子纠缠

一个粒子的状态与另一粒子的状态直接相关，无论二者相隔多远。

当前的研究焦点在于探究质子（原子核的构成部分）内部所存在的此类现象，并揭示其组成夸克与胶子间复杂的相互作用机制。

质子并非基本粒子，而是由两个上夸克与一个下夸克构成，这些夸克通过胶子（强力的传递媒介）结合在一起。此内部结构使得质子成为一个动态实体，表现出量子力学效应。

夸克与胶子

• 夸克：是构成质子和中子的基本单元，共有六种类型，即上、下、魅力、奇怪、顶部和底部。
• 胶子：是介导夸克间强相互作用的力载体。

夸克与胶子间的相互作用遵循量子色动力学（QCD）原理，该理论描述了夸克与胶子如何通过强力发生相互作用。

当两个或多个粒子相互关联时，会发生量子纠缠现象，其中一个粒子的状态变化会立即影响与之纠缠的粒子状态，无论距离如何。此现象挑战了经典物理学中关于可分离性和局部性的观念。

量子纠缠的主要特性包括：

• 非局域性：一个粒子状态的变化会即刻影响与其纠缠的粒子。
• 最大纠缠：指一个粒子的所有信息均与其纠缠伙伴相关联的状态。
• 集体行为：纠缠不仅限于成对粒子，亦可涉及整个粒子系统。

在质子背景下，近期研究表明夸克与胶子可与其他粒子发生纠缠，进而影响在高能碰撞中的集体行为。

2024年12月，布鲁克海文国家实验室的研究团队发表了关于质子内部量子纠缠的重要发现。他们利用高能电子-质子碰撞数据，探究了纠缠如何影响这些相互作用产生的粒子分布。

该团队采用量子信息科学的尖端技术，分析了从德国HERA对撞机过往实验中获取的数据。研究重点包括：

• 粒子轨迹：观察粒子在不同角度碰撞中的出现情况。
• 熵计算：利用熵（无序度的度量）来推断夸克与胶子间的纠缠程度。

主要发现：

• 最大纠缠：研究提供了确凿证据，表明质子内的夸克与胶子处于最大纠缠状态。
• 对粒子分布的影响：发现碰撞中产生的稳定粒子分布模式与纠缠程度相关。
• 强相互作用：结果揭示了夸克间强相互作用如何导致纠缠态，从而加深了对质子内部约束机制的理解。

物理学家涂周敦明强调，此研究标志着从将质子视为夸克与胶子简单集合的传统观念，向认识到其受纠缠影响的复杂、动态性质的转变。

与布鲁克海文的研究成果相似，欧洲核子研究组织（CERN）大型强子对撞机（LHC）的研究团队早在2024年9月通过观测质子中发现的顶夸克（一种重夸克）间的量子纠缠，实现了重大突破。

顶夸克研究的意义在于，它们在强子化（夸克结合形成更大粒子的过程）前会迅速衰变为较轻粒子，这一特性使得科学家能够更有效地研究其纠缠态，相较于轻夸克而言。

研究亮点：

• 实验技术：利用质子-质子碰撞数据，科学家分析了高能事件中产生的顶夸克与反顶夸克对。
• 统计证据：ATLAS与CMS实验均报告了基于衰变产物中观察到的相关性，所得纠缠的统计显著性证据。
• 对粒子物理学的影响：这些观测结果为探索极端条件下的纠缠提供了途径，并有助于理解基本力。

质子量子纠缠的发现挑战了现有理论框架，并开辟了新的研究方向。

将质子视为独立夸克与胶子集合的传统观念正在发生转变。新的认识强调：

• 集体动力学：夸克-胶子相互作用导致的特性无法通过单粒子描述来理解。
• 强相互作用：深入了解强力如何产生最大纠缠态，可为核子内部约束机制的理论提供信息。

电子离子对撞机（EIC）将于2030年代初在布鲁克海文实验室启动运行，将深入探究上述问题。研究人员的目标包括：

研究质子成为较大原子核一部分时对其特性的影响。

利用从纠缠态研究中获得的见解，探索其他复杂的核现象。

质子内部量子纠缠的揭示标志着我们对粒子物理学理解的重大进展。随着研究人员通过高能实验不断揭示夸克-胶子相互作用的复杂性，我们有望对物质的基本性质获得更深入的认识。

这些发现不仅强化了我们的理论框架，而且在依赖量子力学的新兴技术中具有潜在应用价值。对短距离“幽灵行动”的探索有望重塑我们对宇宙构成元素的理解。