北京大学物理学院曹庆宏教授利用量子纠缠态探测轻夸克电磁性质取得新进展

夸克是构成质子、中子等物质的基本粒子，具有电荷和自旋。从经典图像上看，自旋可以粗略类比为微观尺度上的“小磁针”，其电磁性质是描述夸克基本属性的重要组成部分。如果轻夸克存在标准模型之外的异常电磁偶极相互作用，将为探索更深层次的新物理提供重要线索。然而，由于量子色动力学的“色禁闭”，轻夸克不能像电子、缪子那样作为自由粒子被直接观测，因此如何从其强子化产物中提取电磁性质，一直是粒子物理研究中的重要挑战。

近日，北京大学物理学院曹庆宏教授与中国科学院高能物理研究所博士生李广辉、文新锴博士和岩斌副研究员合作，在轻夸克电磁性质研究方面取得新进展。研究团队提出，利用Belle和BaBar实验中正负电子碰撞产生的纠缠正反轻夸克对，并分析夸克强子化后末态粒子的方位角关联，可以探测轻夸克异常的电磁偶极相互作用。该研究将高能碰撞中的量子纠缠进一步转化为探测基本粒子性质的“量子探针”，为利用量子自旋关联寻找超出标准模型的新物理提供了新的研究思路。

研究团队注意到，轻子对撞机中产生的正反轻夸克具有天然的量子自旋关联，并可形成高度纠缠的量子态。异常的磁偶极或电偶极相互作用会改变这种纠缠态的自旋排列方式。虽然夸克随后会迅速强子化，转变为实验中能够探测到的π介子、K介子等强子，但其自旋关联信息仍会通过强子化过程，以特定的统计规律反映在末态强子的方位角分布中。因此，研究人员可以通过测量两侧强子的角度关联，间接读取不可直接观测的夸克自旋信息。

这一方法的关键在于，不同的自旋关联会留下不同的“角度指纹”。标准模型产生一种特定的方位角关联，而异常电磁偶极相互作用则能够产生另一种在标准模型中缺失的方位角不对称性。论文还表明，在所考察的一大类其他新物理相互作用中不会产生相同的自旋关联信号，因此，这种角关联对轻夸克电磁偶极相互作用具有较强的辨识能力。为降低夸克强子化过程带来的理论不确定性，研究团队进一步比较两种不同的方位角不对称性，使主要的强子化不确定性在比值中大幅抵消。这种类似“自校准”的方法能够更干净地提取夸克自旋关联及其电磁性质。该工作首次建立了量子纠缠、夸克自旋关联、强子化过程与新物理探测之间的联系，展示了利用基本粒子的量子态作为信息载体、探索其微观性质的新途径。

图：利用纠缠夸克对双强子碎裂过程探测夸克电磁性质示意图（左图），利用极化不对称性探测电磁偶极相互作用的灵敏度（右图）

相关成果以“Probing quark electromagnetic properties via entangled quark pairs in fragmentation hadrons at lepton colliders”为题，于2026年7月31日以Letter形式发表于《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）。论文作者（按姓氏排序）为曹庆宏、李广辉、文新锴和岩斌。研究工作得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院、教育部基础学科和交叉学科突破计划以及中国博士后科学基金会的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae8932