ATLAS 和 CMS 实验观察到了顶夸克与其反粒子之间的纠缠，证实了这种高能现象。这为量子研究开辟了新途径，并得到大型强子对撞机大数据样本的支持并通过现代分析技术得到增强。
在首次证明光子纠缠的二十年后，ATLAS 和 CMS 实验在大型强子对撞机上观察到了顶夸克与其反粒子之间的量子纠缠。
这一突破证实了高能纠缠，并为量子力学提供了新的视角。与此同时，大型强子对撞机产生的大量顶夸克对可以进行广泛的研究，并通过测量自旋纠缠和系统不确定性的先进机器学习技术进一步支持。
粒子物理学中的量子纠缠
最近，在 Anton Zeilinger 和他的团队首次证实两个光子之间纠缠的二十年后，ATLAS 和 CMS 实验报告了在大型强子对撞机中同时产生的顶夸克与其反粒子之间的量子纠缠的观察结果。
确认最重的基本粒子（顶夸克）之间的量子纠缠，为探索我们世界的量子本质开辟了一条新途径，其能量远远超出了量子光学所能达到的范围。同时，大型强子对撞机上顶夸克对的大量产生提供了巨大的顶夸克数据样本，为这些研究提供了独特的机会。
顶夸克和反粒子之间的量子纠缠已在大型强子对撞机上得到证实，这标志着高能量子物理学的重大进步，并得到了大量数据和先进分析方法的支持。图片来源：欧洲核子研究中心
爱因斯坦对量子力学的挑战
在量子力学中，如果我们在测量另一个粒子时知道其中一个粒子的状态，那么两个粒子就会纠缠在一起。即使两个最初纠缠的粒子在测量前放置得彼此相距很远，情况也是如此。这就是爱因斯坦所说的“幽灵般的远距离作用”：虽然信息的传播速度不能超过光速，但在测量第一个粒子时，可以保证立即发现第二个粒子处于相应的状态。 1934 年，爱因斯坦和他的合作者提出了一项思想实验，据他们称，该实验揭示了量子力学的不一致性。
为了解决这个悖论，他们认为我们对纠缠的描述是不完整的，并且系统中还有其他我们无法通过实验获得的量在起作用。那么，纠缠将是我们对这些隐藏变量的无知的结果。
测量纠缠的先进技术
在一项新的测量中，CMS合作首次检查了顶夸克和顶反夸克的自旋纠缠，这两种物质以非常高的速度同时产生。因此，这两个粒子在衰变之前相距很远，即它们的距离大于以光速传输的信息所能覆盖的距离。夸克和反夸克自旋之间的相关性是通过观察它们的衰变产物的角度分布来测量的。
该分析利用最先进的机器学习方法来正确分配顶（反）夸克衰变产物并改进系统不确定性的建模。观察到的纠缠水平（以参数 Δ E 为特征）如图 1 所示，针对两个不同的运动区域。
图 1：观察到的以 ΔE 为特征的缠结水平显示在两个运动区域中。显示测量值（点）及其不确定性，并与 SM 预测（红线）进行比较。水平蓝线对应于纠缠ΔE临界的最大水平，这可以通过夸克和反夸克之间以光速交换信息来解释。
第一个箱对应于横向动量小于 50 GeV 的顶夸克，而在最后一个箱中，顶夸克对具有较高的不变质量，即相对于彼此以较大的速度移动。在两个运动学区域中测得的 ΔE 均大于 1，证实了两个颗粒之间的纠缠。特别是在第二个容器中，顶夸克-反夸克对以如此大的相对速度移动，只有在 10% 的情况下它们才有机会进行交流。在那里，纠缠明显高于 ΔE 临界值，这是可以通过隐藏变量以光速进行的信息交换来解释的纠缠水平。因此，测量表明，已知最重的粒子之间确实存在“幽灵般的超距作用”。
图片来源：欧洲核子研究中心