科學家首次實現費米尺度的單粒子雙縫干涉實驗

　　中國科學技術大學高能核物理課題組與美國布魯克海文國家實驗室、山東大學等單位的聯合研究團隊，在STAR國際合作組中發揮主導作用，首次在高能重離子碰撞過程中以不穩定粒子——短壽命矢量介子（ρ0）為實體，實現了費米尺度的單粒子雙縫干涉實驗，并利用該過程的線性偏振特征觀測到極化空間的干涉現象。該研究成果1月4日發表于《科學進展》。

ρ0介子的雙縫干涉示意圖及其衰變角二階余弦調制系數的測量結果 中國科大供圖

　　波粒二象性是量子力學的基石原理，也是量子力學“反常識”和“反直覺”的源頭之一。而單粒子的雙縫干涉思想實驗能夠非常直接地從現象上詮釋波粒二象性。近半個世紀以來，實驗學家們相繼以光子、電子、原子、分子和生物大分子作為干涉實體，實現了該思想實驗。那么，對于高能核物理實驗中常見的不穩定粒子是否也能夠作為實體產生雙縫干涉現象？

　　STAR的研究團隊利用甚高能原子核對撞中相干光致產生的不穩定粒子ρ0（壽命約為1費米/光速）作為干涉實體實現了費米尺度的雙縫干涉實驗，這也是目前尺度最小的雙縫干涉實驗。在金核-金核碰撞中，兩個對撞核都可以作為ρ0介子散射的靶核（“縫”），從而形成干涉。該過程產生的ρ0介子是完全線性極化的，其衰變產物趨向于沿著極化方向運動，從而導致衰變角的二階余弦調制隨著ρ0介子橫動量大小呈現周期變化，這是雙縫干涉現象在極化空間的首次體現。有意思的是，在這些對撞中兩個“縫”之間的典型距離約為20費米，遠大于ρ0介子衰變之前所能到達的距離，這表明來自兩個“縫”的ρ0介子波函數在相遇重疊之前就已經衰變，ρ0介子的雙縫干涉實際上是由其衰變產物（比如π+π-對）的協同合作而產生。這些衰變的π+π-對“超時空”地協同完成干涉，是詮釋量子糾纏現象的一個絕佳范本。

　　中國科大物理學院粒子物理與原子核物理專業副教授查王妹為這篇合作組文章的主要作者，在實驗分析中做出了突出貢獻。此外，查王妹還建立了相關唯象理論模型，對甚高能原子核對撞中相干光致產物的雙縫干涉進行了理論研究，對實驗測量有重要指導意義。

　　STAR是基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機上STAR實驗的大型國際合作組，由來自14個國家71個單位的700多位科研人員組成。中國科大高能核物理課題組是STAR國際合作組的重要研究力量。