科学家发现了一种全新的量子纠缠

中国科学技术大学STAR组与美国布鲁克海文国家实验室、山东大学等单位的联合研究团队，在STAR国际合作组中发挥主导作用[1]，首次在高能重离子碰撞过程中以不稳定粒子ρ⁰介子为实体实现了费米尺度的单粒子双缝干涉实验，并利用该过程的线性偏振特征观测到极化空间的干涉现象。该研究以题为《Tomography of ultra-relativistic nuclei with polarized photon-gluon collisions》于1月4日在《科学进展》上发表[2]。

中国科大物理学院粒子物理与原子核物理专业查王妹副教授为这篇合作组文章的主要作者，在实验分析中做出了突出贡献。该项研究受到了国家自然科学基金委、科技部等单位资助。

STAR是基于美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上STAR实验的大型国际合作组，由来自14个国家71个单位的七百多位科研人员组成。

相对论重离子对撞机

一种全新的量子纠缠

波粒二象性是量子力学的基石原理，也是量子力学“反常识”和“反直觉”的源头之一。而单粒子的双缝干涉思想实验能够非常直接地从现象上诠释波粒二象性。近半个世纪以来，实验学家们相继以光子、电子、原子、分子和生物大分子作为干涉实体，实现了该思想实验。那么，对于高能核物理实验中常见的不稳定粒子是否也能够作为实体产生双缝干涉现象呢？

STAR的研究团队利用甚高能原子核对撞中相干光致产生的不稳定粒子ρ⁰（寿命约为1费米/光速）作为干涉实体实现了费米尺度的双缝干涉实验，这也是目前尺度最小的双缝干涉实验。

如下图所示，在金核-金核碰撞中，两个对撞核都可以作为ρ⁰介子散射的靶核（“缝”），从而形成干涉。该过程产生的ρ⁰介子是完全线性极化的，其衰变产物趋向于沿着极化方向运动，从而导致衰变角的二阶余弦调制随着ρ⁰介子横动量大小呈现周期变化（如下图所示），这是双缝干涉现象在极化空间的首次体现。

ρ⁰介子的双缝干涉示意图及其衰变角二阶余弦调制系数的测量结果

有意思的是，在这些对撞中两个“缝”之间的典型距离约为20费米，远大于ρ⁰介子衰变之前所能到达的距离，这表明来自两个“缝”的ρ⁰介子波函数在相遇重叠之前就已经衰变，ρ⁰介子的双缝干涉实际上是由其衰变产物（比如π+π-对）的协同合作而产生。

这些衰变的π+π-对“超时空”地协同完成干涉，是诠释量子纠缠现象的一个绝佳范本。

论文作者之一James Daniel Brandenburg解释说[3]：“这是对不同粒子之间纠缠的首次实验观察。”布鲁克海文国家实验室以《新型纠缠让科学家“看到”原子核内部》为题进行了报道，“如果两个金离子非常接近地彼此通过而没有碰撞，则围绕一个离子的光子可以探测另一个离子的内部结构。”

参考链接：

[1]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/81542.htm

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3903

[3]https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=120816