北京
来源：科技日报
科技日报记者 张佳欣
欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的ATLAS实验，首次获得希格斯玻色子衰变产生的两个Z玻色子之间存在量子纠缠的有力证据。这项研究表明，量子纠缠不仅存在于光子、电子等粒子构成的量子系统中，也能出现在高能碰撞产生的质量较大、寿命极短的基本粒子之间，为探索极端条件下量子力学的基本规律提供了新的实验窗口。相关研究发表于最新一期《物理评论快报》。
量子纠缠是量子力学中的一种特殊现象。当两个粒子的量子状态紧密关联时，无法再分别描述其中一个粒子，而必须把两者作为一个整体来描述。爱因斯坦曾将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。
此前，科学家已经在光子、电子及顶夸克等粒子体系中观测到量子纠缠。2023年，ATLAS实验首次在大型强子对撞机中观测到顶夸克—反顶夸克之间的量子纠缠。此次研究则将相关探索拓展到了Z玻色子。
研究人员分析了大型强子对撞机质子碰撞产生的希格斯玻色子衰变数据。在一种罕见的衰变过程中，希格斯玻色子先衰变成两个Z玻色子，随后两个Z玻色子分别衰变成电子对或缪子对。
由于希格斯玻色子的质量约为125GeV（吉电子伏特），而Z玻色子的质量约为91GeV，一个希格斯玻色子无法同时产生两个处于实粒子状态的Z玻色子。因此，在这一过程中，两个Z玻色子中至少有一个处于虚粒子状态。
Z玻色子的寿命只有约3×10-25秒，无法被探测器直接记录。不过，它衰变产生的电子和缪子会在ATLAS探测器中留下运动轨迹。研究人员通过分析4个轻子的运动方向，反推出产生它们的Z玻色子的自旋状态，并进一步检验两个Z玻色子的自旋是否存在量子纠缠。
这种衰变过程非常罕见，在分析大型强子对撞机多年数据中，可用于此次研究的事件仅约400个。尽管样本数量有限，但分析结果支持两个Z玻色子之间存在量子纠缠。
研究人员进一步利用完整的角分布进行统计检验，发现数据以4.7个标准差的显著性排除了“两个Z玻色子处于可分离、即非纠缠状态”的假设。粒子物理学界通常将5个标准差作为宣布新发现的标准，因此此次结果属于量子纠缠的有力证据，但尚未达到这一传统标准。
这项实验还有一个特殊之处，即Z玻色子的自旋为1，可以有+1、0和-1三种自旋状态。在量子信息科学中，具有3种量子状态的系统被称为“量子三元”。研究人员指出，此次实验首次观测到两个这样的三态量子系统之间存在量子纠缠，拓展了科学家对基本粒子量子性质的研究。
研究人员表示，利用粒子对撞机研究量子纠缠，有望进一步拓展科学家对量子力学基本规律的认识，也为利用量子信息方法分析高能粒子碰撞数据提供新的研究方向。随着ATLAS探测器和大型强子对撞机持续升级，科学家有望获得更多数据，进一步研究高能条件下的量子现象。
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