在頂級夸克中發現的量子糾纏 – 已知最重的粒子

物理學最令人驚訝的預測之一是糾纏，一種對象可能相距一定距離但仍鏈接在一起的現象。最著名的糾纏例子涉及小塊光（光子）和低能量。

在日內瓦的大型強子對撞機（世界上最大的粒子加速器）上，一個名為 ATLAS 的實驗剛剛發現了成對的頂夸克的糾纏：這是科學上已知的最重的粒子。

結果在一篇新論文來自我和 ATLAS 合作的同事，今天發表在自然界.

什么是糾纏？

在日常生活中，我們認為物體要么是“獨立的”，要么是“相連的”。相距一公里的兩個球是分開的。用一根繩子連接的兩個球連接起來。

當兩個物體“糾纏”時，它們之間沒有物理聯系——但它們也不是真正分開的。您可以對第一個對象進行測量，這足以知道第二個對象在做什么，甚至在您查看它之前。

這兩個對象形成一個系統，即使沒有任何東西將它們連接在一起。這已被證明適用于城市兩側的光子。

最近根據劉慈欣的科幻小說改編的流媒體系列 3 Body Problem 的粉絲會熟悉這個想法。

在節目中，外星人向地球發送了一臺微型超級計算機，以擾亂我們的技術并讓他們與我們交流。因為這個微小的物體與外星母星上的雙胞胎糾纏在一起，外星人可以與它交流并控制它——即使它相距四光年。

故事的這一部分是科幻小說：糾纏并不真正允許您以比光速更快的速度發送信號。（似乎糾纏應該允許你這樣做，但根據量子物理學，這是不可能的。到目前為止，我們所有的實驗都與該預測一致。

但糾纏本身是真實的。它是1980 年代首次演示光子，在當時的一項前沿的實驗.

今天，您可以從商業提供商那里購買一個盒子，它會吐出糾纏的光子對。糾纏是量子物理學描述的特性之一，也是科學家和工程師試圖利用來創造新技術的特性之一，例如量子計算.

自 1980 年代以來，也觀察到原子、一些亞原子粒子，甚至與經歷非常非常輕微振動的微小物體發生糾纏。這些例子都是在低能量下。

日內瓦的新進展是，在稱為頂夸克的粒子對中可以看到糾纏，其中在非常小的空間中存在大量的能量。

那么什么是夸克呢？

物質是由分子組成的;分子由原子組成;原子由稱為電子的輕粒子組成，這些粒子圍繞中心的重原子核運行，就像太陽系中心的太陽一樣。大約在 1911 年，我們已經從實驗中知道了這一點。

然后我們了解到原子核是由質子和中子組成的，到 1970 年代，我們發現質子和中子是由更小的粒子組成的，稱為夸克。

夸克總共有六種類型：構成質子和中子的“上”夸克和“下”夸克，然后是四種較重的夸克。

第五個夸克，“美”夸克或“底”夸克，大約比質子重四倍半，當我們找到它時，我們認為它非常重。但第六個也是最后一個夸克，即“頂”，是一個怪物：比鎢原子略重，質量是質子的 184 倍。

沒有人知道為什么頂夸克如此巨大.正是出于這個原因，頂夸克是大型強子對撞機深入研究的對象。（在我所在的悉尼，我們在 ATLAS 實驗中的大部分工作都集中在頂夸克上。

我們認為非常大的質量可能是一個線索。也許頂夸克之所以如此巨大，是因為頂夸克感受到了新的力量，超出了我們已經知道的四種力量。或者它可能與 “新物理學” 有其他聯系。

我們知道，我們目前所理解的物理定律是不完整的。研究頂夸克的行為方式可能會為我們指明通往新事物的道路。

那么糾纏是否意味著頂夸克是特殊的呢？

可能不是。量子物理學說，糾纏很常見，各種各樣的事物都可以糾纏。

但糾纏也是脆弱的。

許多量子物理實驗是在超低溫下進行的，以避免“碰撞”系統并干擾它。因此，到目前為止，科學家可以在系統中證明糾纏，科學家可以在其中設置合適的條件進行測量。

由于技術原因，頂夸克的質量非常大，使其成為研究糾纏的良好實驗室。（新的 ATLAS 測量對于其他五種類型的夸克是不可能的。

但是，頂夸克對不會成為一項方便的新技術的基礎：你不能拿起大型強子對撞機并隨身攜帶。

盡管如此，頂夸克確實提供了一種進行實驗的新型工具，而糾纏本身就很有趣，因此我們將繼續尋找其他發現。

布魯斯·亞布斯利， 物理學副教授，悉尼大學

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