量子纠缠通常出现在低能实验室里——光子、离子、超导比特,环境越安静越好。这次不一样。国际研究团队利用大型强子对撞机(LHC)的 ATLAS 探测器,在希格斯玻色子衰变成一对 Z 玻色子的过程中,测到了自旋量子纠缠。
论文发表在《物理评论快报》。这是首次在短寿命的大质量粒子之间观测到自旋量子纠缠。
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怎么测出来的
希格斯玻色子的自旋为 0,Z 玻色子的自旋为 1。希格斯衰变成两个 Z 玻色子后,研究人员分析的是粒子发射角度和角分布,通过测量自旋密度矩阵来验证两个 Z 玻色子之间的量子关联。
判断依据是一次假设检验:以 4.7 个标准差的显著性,排除了非纠缠的可分离态假设。结果与标准模型预言一致。
为什么这件事不寻常
Z 玻色子质量大,寿命极短,所处的又是 LHC 的极端高能环境。按直觉,纠缠这种脆弱效应早该被环境噪声冲散。但实验给出的结论相反:即便在这样的条件下,量子纠缠依然存在。
这说明纠缠是一种基本而稳健的量子效应,量子力学的这些基本规律在极端高能环境中依然发挥作用。
争论在哪
正方看的是结果本身:4.7 个标准差已经越过了粒子物理惯用的发现门槛,非纠缠假设被排除,标准模型又一次经受住了检验。更重要的是方法——把量子信息科学的工具搬进对撞机数据分析,等于给高能物理开了一扇新窗口。
反方会追问另一面:这次测量的是标准模型早就预言的东西,它验证了已知框架,而不是指向新物理。纠缠被观测到,本身并不自动等于发现了超出标准模型的现象。
两边的分歧其实不在数据,而在期待。前者看重工具迁移带来的灵敏度提升,后者看重这套工具最终能不能找到标准模型之外的东西。
就目前这份结果而言,能确定的是:量子纠缠在高能尺度下依然稳健,而量子信息工具进入粒子物理数据分析这条路,已经被走通了一次。
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