江苏
量子纠缠是量子力学最基本的特征之一。当两个量子系统发生纠缠时，它们不能再被完全视为彼此独立的系统，而必须由一个共同的量子态来描述。对其中一个系统进行测量时，得到的结果会与另一个系统的测量结果表现出特殊的量子关联，即使它们相隔很远。这种关联无法由非纠缠的量子状态来解释。
爱因斯坦曾将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”。如今，量子纠缠已经不再只是一种令人好奇的量子现象，它也是量子计算、量子通信和量子传感等技术的重要基础。
过去，量子纠缠主要是在低能实验中研究的。近年来，科学家开始在大型强子对撞机（LHC）这样的高能尺度上对这一现象进行检验。2023年，LHC上的ATLAS实验。
ATLAS的研究人员想要进一步探索，在LHC这样的高能环境中，那些短寿命的大质量粒子之间是否也会表现出可测量的量子纠缠？希格斯玻色子衰变成一对Z玻色子的过程，为检验这一问题提供了一个理想的实验平台。
在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，一个国际合作团队利用ATLAS 实验，首次测量了两个Z玻色子自旋之间的量子纠缠。
在Z玻色子之间寻找纠缠
在粒子物理学的标准模型中，希格斯玻色子的独特之处在于，它的自旋为0。相比之下，Z玻色子是一种自旋为1的粒子，因此沿选定方向可以具有三种不同的极化态，对应自旋投影+1、0和-1。对于一对Z玻色子而言，它们的极化关系反映了两个粒子的自旋状态如何彼此关联。由于希格斯玻色子的自旋为0，当它衰变成两个Z玻色子时，这两个粒子的自旋状态会受到角动量守恒的约束。通过研究这些极化关联，物理学家既能够精确检验电弱相互作用，也能够检验两个Z玻色子之间的量子纠缠。
在实验中的希格斯玻色子是通过让以光速99.99%飞行的质子相互碰撞产生的。这些质子与质子碰撞的质心能量高达13万亿电子伏特（13 TeV）。尽管衰变所产生Z玻色子几乎会在产生后立即消失，但ATLAS探测器仍然能够精确追踪Z玻色子衰变产生的电子和µ子。
通过重建这些粒子的发射角度，研究人员可以获得关于两个Z玻色子自旋状态及其相互关联的信息，并进一步检验它们是否处于量子纠缠态。他们首先测量了对量子纠缠敏感的角分布，并从中提取与两个Z玻色子自旋密度矩阵有关的量。结果与标准模型对纠缠的Z玻色子系统的预言一致。
此外，研究人员还进行了一项互补的假设检验：他们利用完整的角分布信息，对衰变过程采用了若干标准模型假设，从而大幅提高了对量子关联的灵敏度。最终，这项假设检验以4.7个标准差的显著性，不支持非纠缠的可分离态假设。实验数据更符合标准模型所预言的纠缠态，从而为两个Z玻色子的自旋之间存在量子纠缠提供了强有力的证据。
高能世界中的纠缠
研究人员表示，量子纠缠通常被视为一种非常脆弱的现象，例如实验室中利用单个光子观察到的纠缠。但这项研究表明，即便是在Z玻色子这样质量很大、寿命又极短的粒子之间，量子纠缠依然能够存在。这说明，纠缠是一种基本而稳健的量子效应，即使在大型强子对撞机的极端高能环境中，量子力学的这些基本规律依然发挥作用。利用对撞机研究纠缠，也为探索量子力学的基础问题打开了新的窗口。
与此同时，这项研究也体现出一个正在发展的方向：把量子信息科学中的工具和思想引入粒子物理学。这种交叉正在帮助科学家发展更灵敏的对撞机数据分析方法，并有望提高对微弱效应的探测能力，其中一些效应可能与超出当前理论框架的新物理有关。
#参考来源：
https://www.ox.ac.uk/news/2026-08-26-oxford-physicists-help-uncover-spooky-quantum-effect-in-the-large-hadron-collider
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/y1nh-1b82
#图片来源：
封面及首图由《原理》使用 AI 辅助设计
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