【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】量子糾纏被稱為“幽靈般的超距作用”，如今，它幫助科學(xué)家將看不見(jiàn)的粒子信息轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的數(shù)值，從而填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)物理的空白。
 

　　北京時(shí)間2026年9月2日晚間，復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所羅濤團(tuán)隊(duì)與合作者以“Exploring baryon semileptonic decays through polarization and entanglement”為題在《自然》(Nature)發(fā)表研究成果，首次在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，利用量子糾纏與極化信息提取了卡比博—小林—益川(CKM)矩陣元|Vus|，為精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型開(kāi)辟了一條全新路徑。
 

　　這一突破性成果不僅驗(yàn)證了量子糾纏在高能物理實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵作用，更展示了極化測(cè)量在精確檢驗(yàn)方面的巨大潛力，該方法已拓展至北京譜儀III(BESIII)后續(xù)其他重子研究，將有望為下一代大科學(xué)裝置發(fā)展提供重要方法論支撐。
 

　　借助量子糾纏，為精確檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型開(kāi)辟新路徑
 

　　標(biāo)準(zhǔn)模型是粒子物理學(xué)中一套描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及所有組成物質(zhì)的基本粒子的理論。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，構(gòu)成萬(wàn)物的基本粒子可以分為兩大類：夸克和輕子?？淇擞辛N“味”，在弱相互作用下，一種“味”的夸克可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N“味”。
 

　　但這種轉(zhuǎn)變并非沒(méi)有條件。不同夸克之間的轉(zhuǎn)變強(qiáng)度不同，物理學(xué)家用一張3x3的數(shù)表來(lái)描述這些強(qiáng)度，即CKM矩陣，其中的每一個(gè)矩陣元描述一種夸克轉(zhuǎn)變的強(qiáng)弱。按照標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，CKM矩陣中的參數(shù)需要滿足嚴(yán)格的幺正性關(guān)系——每一行的三個(gè)矩陣元，它們的模的平方加起來(lái)必須等于1。
 

　　CKM矩陣中的|Vus|對(duì)應(yīng)奇異夸克向上夸克的轉(zhuǎn)變，其數(shù)值是否精確，直接關(guān)系到標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)三代夸克混合的描述是否經(jīng)得起嚴(yán)格檢驗(yàn)。當(dāng)前，不同衰變過(guò)程所測(cè)得的|Vus|之間存在差異，CKM矩陣的第一行幺正性檢驗(yàn)也顯示出一定的張力。目前，這種張力不足以說(shuō)明存在新的物理效應(yīng)，卻迫切要求更多彼此獨(dú)立的測(cè)量途徑，來(lái)排除實(shí)驗(yàn)方法和理論計(jì)算中可能存在的影響。
 

　　Λ超子的β衰變恰好提供了一種理想途徑。Λ超子由一個(gè)上夸克、一個(gè)下夸克和一個(gè)奇異夸克組成，在極短時(shí)間內(nèi)，它就會(huì)衰變成其他粒子。這一衰變過(guò)程表現(xiàn)為奇異夸克轉(zhuǎn)變?yōu)樯峡淇?，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，這一過(guò)程的發(fā)生概率既取決于|Vus|，也與描述Λ內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀因子密切相關(guān)。
 

　　然而，反中微子像“幽靈”一樣穿透探測(cè)器，帶走關(guān)鍵能量與動(dòng)量；而僅觀察Λ超子單側(cè)衰變，猶如只看了地圖的一角，不同物理效應(yīng)混在一起，難以分辨。三十多年前，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室曾完成該領(lǐng)域最精確的測(cè)量，此后長(zhǎng)期缺乏新的高精度實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。如何精準(zhǔn)測(cè)量Λ超子的β衰變過(guò)程？這是驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)鍵。
 

　　“BESIII實(shí)驗(yàn)里，Λ和反Λ是成對(duì)產(chǎn)生的，而且它們的自旋狀態(tài)存在量子糾纏。我們通過(guò)探測(cè)反Λ衰變成兩個(gè)可以看見(jiàn)的粒子，反推出反Λ的信息，再通過(guò)量子糾纏關(guān)系，間接拿到Λ的產(chǎn)生信息，那些‘看不見(jiàn)的’就被我們算出來(lái)了。”羅濤介紹。
 

　　羅濤教授團(tuán)隊(duì)歷時(shí)六年半攻關(guān)，首次將量子糾纏和極化信息引入研究，創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了一套獨(dú)特的聯(lián)合角分布多變量擬合方法。他們將Λ與反Λ的產(chǎn)生、極化、量子糾纏和兩側(cè)衰變作為一個(gè)完整過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)于“看不見(jiàn)”的反中微子，團(tuán)隊(duì)則利用能量動(dòng)量守恒反推它的行蹤。這樣一來(lái)，“看得見(jiàn)”與“看不見(jiàn)”的兩方面信息結(jié)合，使原本模糊的物理圖像清晰可辨。
 

　　二十分之一的樣本量，如何達(dá)到同等精度？
 

　　引入量子糾纏和極化測(cè)量方法后，團(tuán)隊(duì)初步攻克了衰變過(guò)程的測(cè)量難題。然而，科研創(chuàng)新之路并非一帆風(fēng)順，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他們遇到了一大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——統(tǒng)計(jì)量嚴(yán)重不足。
 

　　由于Λ超子β衰變的發(fā)生概率極低，團(tuán)隊(duì)在100億個(gè)J/ψ衰變事例中，最終僅篩選出1854個(gè)信號(hào)事例，信號(hào)樣本僅為美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室早期實(shí)驗(yàn)的二十分之一。在如此有限的統(tǒng)計(jì)量下要達(dá)到與前輩實(shí)驗(yàn)相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度，這幾乎是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。
 

　　困難并非無(wú)法逾越，從BESIII實(shí)驗(yàn)的天然優(yōu)勢(shì)中，團(tuán)隊(duì)獲得了關(guān)鍵啟發(fā)。北京譜儀III(BESIII)是運(yùn)行在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)II上的大型通用粒子探測(cè)器。它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于，它通過(guò)J/ψ衰變同時(shí)產(chǎn)生Λ和反Λ，且兩者的自旋狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)、保持量子糾纏，在測(cè)量前，兩個(gè)粒子都沒(méi)有獨(dú)立確定的狀態(tài)。這意味著，反Λ一側(cè)的衰變方向不僅可用于事例確認(rèn)，更能為Λ一側(cè)的初始自旋提供約束。
 

　　Λ粒子β衰變示意圖：Λ粒子通過(guò)一個(gè)虛W?玻色子衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子和電子反中微子。餅圖展示了參與該躍遷過(guò)程的主導(dǎo)矢量與軸矢量形狀因子的相對(duì)大小
 

　　團(tuán)隊(duì)開(kāi)始思考，能否將反Λ一側(cè)“浪費(fèi)”掉的糾纏信息“撿回來(lái)”，用于輔助Λβ衰變的測(cè)量？過(guò)去人們主要依賴β衰變本身的信息，而新的方法將正反兩側(cè)的衰變方向聯(lián)合起來(lái)，原本在單側(cè)容易混淆的衰變結(jié)構(gòu)，在聯(lián)合角分布中會(huì)呈現(xiàn)截然不同的特征，從而更易于區(qū)分。
 

　　研究經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而繁復(fù)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段。BESIII實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)以原始電信號(hào)形式存儲(chǔ)，合作組成員各司其職，用約一年時(shí)間完成數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過(guò)重建處理，將每個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為粒子的動(dòng)量、能量等可分析信息。此后，團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了七八個(gè)月時(shí)間，從100億個(gè)對(duì)撞事例中像“大海撈針”一般篩選出有價(jià)值的信號(hào)，以便后續(xù)分析。
 

　　|Vus|相關(guān)結(jié)果：(左圖)展示了第一行CKM幺正性約束，以及分別由K介子衰變和τ輕子衰變測(cè)得的平均值，兩個(gè)超子衰變結(jié)果則取自Cabibbo的工作(右圖)給出了以方差形式表示的本次|Vus|測(cè)量不確定度的各個(gè)貢獻(xiàn)來(lái)源。
 

　　最終，這項(xiàng)歷時(shí)六年半的攻關(guān)取得了扎實(shí)成果，雖然信號(hào)樣本僅為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的二十分之一，團(tuán)隊(duì)對(duì)關(guān)鍵物理量的測(cè)量精度卻與之相當(dāng)，同時(shí)還首次測(cè)得了Λ超子β衰變的絕對(duì)分支比、弱電耦合參數(shù)以及反Λ的多個(gè)衰變參數(shù)，填補(bǔ)了領(lǐng)域內(nèi)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)空白。
 

　　“讓已有數(shù)據(jù)煥發(fā)新生”
 

　　研究超子β衰變是羅濤課題組的主要研究方向之一，自2019年至今，團(tuán)隊(duì)已在這一領(lǐng)域埋頭耕耘近七年。本項(xiàng)成果的意義遠(yuǎn)不止獲得了新的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，更在于證明量子糾纏和極化分析能夠轉(zhuǎn)化為重子β衰變中的實(shí)際測(cè)量信息。
 

　　“這項(xiàng)工作是在重要方法論突破的基礎(chǔ)上取得的重大物理進(jìn)展。”BESIII合作組發(fā)言人、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員李海波指出，羅濤團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地引入量子糾纏和極化分析，極大提升了單事例的物理信息提取效率，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)正反Λ超子β衰變關(guān)鍵參數(shù)的同步測(cè)量，為人們?cè)贐ESIII能區(qū)精確檢驗(yàn)CKM幺正性開(kāi)辟了一條新路徑。
 

　　中國(guó)科學(xué)院院士、華東師范大學(xué)/復(fù)旦大學(xué)教授馬余剛對(duì)此項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)。在他看來(lái)，羅濤團(tuán)隊(duì)六年半的堅(jiān)持，最終成就了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作。其突破不依賴于更先進(jìn)的設(shè)備去堆疊數(shù)據(jù)量，而在于用更精妙的思路，讓已有數(shù)據(jù)“煥發(fā)新生”。這就像借助人工智能，從斑駁泛黃的老照片中復(fù)原出清晰的細(xì)節(jié)，既是中國(guó)科學(xué)家在基礎(chǔ)物理前沿的一次精彩亮相，也為下一代大科學(xué)裝置的物理目標(biāo)埋下了深遠(yuǎn)伏筆。
 

　　從2021年初步發(fā)表成果，到今年的頂刊突破，羅濤團(tuán)隊(duì)在超子β衰變領(lǐng)域不斷求索。下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深挖這一方向，研究更多超子的β衰變；同時(shí)擴(kuò)展新的物理方向，探索粒子物理領(lǐng)域的更前沿。
 

　　復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所教授羅濤為論文的實(shí)際通訊作者，西南科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院特聘副教授王順(復(fù)旦大學(xué)2025屆博士畢業(yè)生)為論文的實(shí)際第一作者。東南大學(xué)物理學(xué)院副研究員潘祥、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所博士后Varvara Batozskaya、瑞典烏普薩拉大學(xué)研究員Andrzej Kupsc和Patrik Adlarson是論文的主要完成人。本研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部等項(xiàng)目的資金支持。
 

　　北京譜儀III(BESIII)是運(yùn)行在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCII)上的大型粒子物理探測(cè)器，其國(guó)際合作者由來(lái)自15個(gè)國(guó)家約96個(gè)研究機(jī)構(gòu)的約700名科學(xué)家組成。實(shí)驗(yàn)聚焦陶-粲能區(qū)的精密物理研究，在強(qiáng)子譜學(xué)、粲物理、陶物理和新物理尋找等領(lǐng)域取得了一系列世界領(lǐng)先成果。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的北京譜儀III探測(cè)器和北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)加速器運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中、北京譜儀III離線軟件團(tuán)隊(duì)和高能物理研究所計(jì)算中心在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中的高效工作為本研究提供了保障。
 

　　引用：基于量子糾纏的新測(cè)量方法！復(fù)旦團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)布新成果-復(fù)旦大學(xué)【引用時(shí)間：2026年9月3日】