粒子物理|一种新的量子纠缠

作为量子力学中最具代表性的反直觉现象，我们对“量子纠缠”这个词已经不陌生了。如今，许多科学家正在寻求纠缠的应用，比如创造出更强大的通信工具和量子计算机。但迄今为止，对纠缠的大多数观测，都是在光子或者相同电子之间发生的。

近日，布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机(RHIC)的研究团队进行了一项特别的实验，首次观测到了不同粒子之间的量子纠缠。与此同时，他们还将它作为一种新的方法加以使用，能够以惊人的精度观察原子核内部的形状和细节。研究已于近日发表在《科学进展》上。

光子与胶子的相互作用

RHIC是用于研究物质基本性质的一项有力工具。物理学家可以在这里研究核物质的最内部基本构成，也就是构成质子和中子的夸克，以及把夸克绑在一起的胶子(原子核内强力的载力粒子)。

RHIC上的STAR探测器，就像一台硕大无比的3D数码相机，追踪从探测器中心的粒子对撞中出现的粒子。(图/STAR)

物理学家会让一些重原子(比如黄金)的原子核在对撞机中以接近光速的速度沿相反方向运动。当核子(或者说离子)之间相互碰撞时，可以“熔化”质子和中子之间的边界，让夸克和胶子就像是存在于质子和中子形成之前的宇宙早期时那样，使科学家能对这样的夸克和胶子进行研究，

不过，为了能更进一步地了解将这些基本构件牢牢绑定在一起的基本力，核物理学家也想知道夸克和胶子在原子核内(就像它们现在的存在状态那样)会有怎样的行为。

最近，RHIC的科学家发现了一种新的方法来研究原子核的内部细节。这种方法依赖于当金离子在对撞机里加速时围绕在它们身边的光子，以及一种从未见过的新型量子纠缠。

这些光子是偏振的，它们的电场从离子的中心向外辐射。如果两个金离子非常近地擦身而过，但不发生对撞，那么围绕一个离子的光子就可以探测另一个离子的内部结构。

这是因为，一个金离子周围的光子，会和另一个金离子内部的胶子发生相互作用。通过一系列量子涨落，光子与胶子的相互作用产生了一种短寿命的中间粒子，被称为ρ介子(ρ⁰)。ρ介子会迅速衰变成一对带不同电荷的π介子(π⁺和π⁻)。物理学家可以通过这两个π介子的动量之和，得出ρ的动量，以及胶子分布和光子模糊效应等信息。

为了提取出胶子分布的信息，科学家需要测量π⁺或π⁻的路径与ρ的轨迹之间的角度。这一角度越接近90°，光子探针产生的模糊就越小。通过追踪由以一系列角度和能量运动的ρ介子产生的π介子，就可以绘制出整个原子核的胶子分布。

科学家使用STAR探测器，通过追踪正(蓝色)和负(红色)的π介子对，来研究胶子的分布。这些π介子对来自ρ介子(紫色)的衰变。π介子和ρ介子的轨迹之间的角度(Φ)越接近90度，对胶子分布的观测就越清晰。研究证明，被测量的π⁺或π⁻粒子经历了一种新型的量子纠缠。(图/STAR)

同时，在新分析的数据中，研究人员观测到了π⁺和π⁻之间的量子干涉。这是一种全新的量子纠缠现象，它能使科学家非常精确地测量光子的偏振方向。正是这种奇异的现象，证明了撞击STAR探测器的π⁺和π⁻粒子，是由这两个不同的带相反电荷的粒子纠缠产生的干涉模式引起的。

别忘了，我们谈论的所有粒子不仅作为物理对象存在，也作为波存在。就像池塘表面的涟漪在撞击岩石时向外辐射一样，描述粒子波峰和波谷的数学“波函数”可以相互干涉，来加强或者抵消彼此的作用。

当围绕着两个接近的高速离子的光子，与原子核内的胶子相互作用时，就好像这些相互作用实际上产生了两个ρ介子，每个原子核中有一个。当每个ρ介子衰变为π⁺和π⁻时，来自两个ρ衰变的π⁻的波函数就会发生干涉。当加强的波函数撞击到STAR探测器时，探测器就看到一个π⁻的波函数(也就是粒子)。同样的事情发生在两个π⁺的波函数上。

干涉发生在相同粒子的两个波函数之间，但如果没有两个不同的粒子(π⁺和π⁻)之间的纠缠，这种干涉就不会实现。

实现二维成像

让研究人员能非常精确地测量光子的偏振方向。这反过来又让他们沿着光子的运动方向和垂直于它的方向观察胶子的分布，也就是二维成像。

这种二维成像被证明非常重要。过去所有的测量，在不清楚偏振方向的情况下，所测得的胶子密度都是一个平均值，是与原子核中心距离的函数。那是一种一维的图像。它会导致图片被这些光子效应扭曲。当与理论模型和核内电荷分布的测量结果相比，这些测量结果都让原子核看上去太大了。但横向的测量可以避免光子模糊。

现在，物理学家就可以拍摄一张照片，真正区分在某个特定的角度和半径的胶子密度。图像可以变得相当精确，甚至可以开始看到质子和中子在这些大核之内的布局之间的差异。

这项技术就好像医生使用正电子发射体层成像(PET)来观察脑和其他身体部位的情况，但在这里，却是在飞米尺度上绘制特征。定性来讲，新的图片与使用胶子分布的理论预测，以及对核内电荷分布的测量吻合。

研究人员相信，未来在RHIC上使用更重的粒子和不同的寿命进行的测量，以及布鲁克海文正在建造的电子-离子对撞机(EIC)，将有机会进一步探测核内胶子的更详细分布，并测试其他可能的量子干涉。