新的量子纠缠现象可帮助研究原子核内部结构

近期，相对论重离子对撞机RHIC上的STAR国际合作实验在世界上首次在高能散射实验中观察到不同基本粒子之间的量子干涉，提供了高精度研究原子核中胶子分布的新方法。该测量实现了费米尺度的双缝干涉，并观测到一种全新的量子纠缠现象。实验结果于2023年1月4日发表在《科学进展》上[Science Advances9, eabq3903 (2023)]，题为《Tomography ofultrarelativistic nuclei withpolarized photon-gluon collisions》。

研究团队通过RHIC对撞机加速两束金原子核到接近光速，使其周围产生伴随运动的“光子云”。这种线偏振光与原子核中胶子相互作用，通过相干光致过程产生ρº介子。实验上测量ρº介子衰变产物π﹢和π﹣粒子对撞击STAR探测器的速度和角度，可以回溯关键物理信息，绘制原子核内胶子的分布。这种技术类似于目前医学上广泛使用的正电子发射计算机断层显像（PET）技术。不同的是，该技术显像的是单个质子尺度即千万亿分之一米的图像，为研究原子核中的胶子分布和电荷分布提供了高精度的约束。

图1ρº介子的双缝干涉实验测量示意图

图2π﹢和π﹣粒子对方位角的二阶余弦振荡

实际上，研究团队利用ρº介子（寿命约为1fm/c）作为干涉实体实现了费米尺度的双缝干涉。这是目前尺度最小的双缝干涉实验。有意思的是，如图1所示，“缝”的间距远大于ρº介子寿命，意味着ρº介子波函数“相遇”前就已衰变。干涉现象实际上是由其衰变产物π﹢和π﹣粒子之间协同产生的（如图2所示）。这种“超时空”的协同完成干涉，是量子纠缠现象的一个绝佳体现。包括2022年诺贝尔物理学奖获得者在内，很多科学家都在设法利用物理上可区分的粒子进行量子纠缠研究。但是，包括近期证实的不同波长激光之间的干涉在内，大部分量子纠缠的观测都集中在光子或者全同的电子之间。研究团队首次通过高能散射实验观测到不同基本粒子之间的纠缠。

这项研究由山东大学、中国科学技术大学和美国布鲁克海文国家实验室组成的联合团队主导完成。山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心、粒子物理与粒子辐照教育部重点实验室的杨驰教授是该合作组论文的主要作者（Principal Authors），对实验分析做出了重要贡献。论文的主要作者包括来自这3个单位的4位学者，其中有3位均正在或曾在山东大学工作。

值得一提的是，粒子科学技术研究中心周剑教授团队的系列理论研究首次揭示了重离子激发的线偏振光现象[Physics Letters B 795，576-580 (2019)]，奠定了本实验研究的基础，同时理论上解释了π﹢和π﹣粒子之间干涉模式形成的原因[JHEP 10 (2020)]。这是高能核物理领域理论研究引导实验测量的一个成功例子。

近年来，这个以山东大学、中国科学技术大学和美国布鲁克海文国家实验室研究人员为主的高能核物理实验团队在相对论重离子对撞中的光致产生过程研究上取得了一系列突破[PHYSICAL REVIEW LETTERS 121, 132301 (2018)；PHYSICAL REVIEW LETTERS 123, 132302 (2019)；PHYSICAL REVIEW LETTERS 127, 052302 (2021)]。包括本研究在内的这一系列工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部和山东省自然科学基金委员会的资助。

相关论文：

1. Tomography ofultrarelativistic nuclei withpolarized photon-gluon collisions,Sci. Adv. 9,eabq3903 (2023)https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3903