歐核中心首獲兩個Z玻色子間量子糾纏證據

　　歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的ATLAS實驗，首次獲得希格斯玻色子衰變產生的兩個Z玻色子之間存在量子糾纏的有力證據。這項研究表明，量子糾纏不僅存在于光子、電子等粒子構成的量子系統中，也能出現在高能碰撞產生的質量較大、壽命極短的基本粒子之間，為探索極端條件下量子力學的基本規律提供了新的實驗窗口。相關研究發表于最新一期《物理評論快報》。

　　量子糾纏是量子力學中的一種特殊現象。當兩個粒子的量子狀態緊密關聯時，無法再分別描述其中一個粒子，而必須把兩者作為一個整體來描述。愛因斯坦曾將這種現象稱為“幽靈般的超距作用”。

　　此前，科學家已經在光子、電子及頂夸克等粒子體系中觀測到量子糾纏。2023年，ATLAS實驗首次在大型強子對撞機中觀測到頂夸克—反頂夸克之間的量子糾纏。此次研究則將相關探索拓展到了Z玻色子。

　　研究人員分析了大型強子對撞機質子碰撞產生的希格斯玻色子衰變數據。在一種罕見的衰變過程中，希格斯玻色子先衰變成兩個Z玻色子，隨后兩個Z玻色子分別衰變成電子對或繆子對。

　　由于希格斯玻色子的質量約為125GeV（吉電子伏特），而Z玻色子的質量約為91GeV，一個希格斯玻色子無法同時產生兩個處于實粒子狀態的Z玻色子。因此，在這一過程中，兩個Z玻色子中至少有一個處于虛粒子狀態。

　　Z玻色子的壽命只有約3×10-25秒，無法被探測器直接記錄。不過，它衰變產生的電子和繆子會在ATLAS探測器中留下運動軌跡。研究人員通過分析4個輕子的運動方向，反推出產生它們的Z玻色子的自旋狀態，并進一步檢驗兩個Z玻色子的自旋是否存在量子糾纏。

　　這種衰變過程非常罕見，在分析大型強子對撞機多年數據中，可用于此次研究的事件僅約400個。盡管樣本數量有限，但分析結果支持兩個Z玻色子之間存在量子糾纏。

　　研究人員進一步利用完整的角分布進行統計檢驗，發現數據以4.7個標準差的顯著性排除了“兩個Z玻色子處于可分離、即非糾纏狀態”的假設。粒子物理學界通常將5個標準差作為宣布新發現的標準，因此此次結果屬于量子糾纏的有力證據，但尚未達到這一傳統標準。

　　這項實驗還有一個特殊之處，即Z玻色子的自旋為1，可以有+1、0和-1三種自旋狀態。在量子信息科學中，具有3種量子狀態的系統被稱為“量子三元”。研究人員指出，此次實驗首次觀測到兩個這樣的三態量子系統之間存在量子糾纏，拓展了科學家對基本粒子量子性質的研究。

　　研究人員表示，利用粒子對撞機研究量子糾纏，有望進一步拓展科學家對量子力學基本規律的認識，也為利用量子信息方法分析高能粒子碰撞數據提供新的研究方向。隨著ATLAS探測器和大型強子對撞機持續升級，科學家有望獲得更多數據，進一步研究高能條件下的量子現象