欧洲核子中心大型强子对撞机LHC上的ATLAS实验组近期在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上在线发表了关于首次测量衰变自希格斯玻色子（自旋为0）的一对Z矢量玻色子（自旋为1）间量子纠缠效应的实验研究（Phys. Rev. Lett. 137 (2026) 111804）。该项工作系世界上首次在电磁-弱相互作用统一的能量标度下测量基本玻色子间的纠缠效应，为精确检验粒子物理标准模型及验证自然界中量子力学的普适性再添重要一笔。研究成果以“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）发表，并被ATLAS合作组以“ATLAS explores quantum entanglement using Higgs boson decays, while charting itsproperties”为题作为研究亮点专门报道（仅有约1/6的PRL论文会被选为编辑推荐）。
纠缠是量子力学显著区别于经典力学体系的一个特征：当几个粒子处于纠缠状态时，将无法独立描述各个粒子的量子态，而只能描述系统的整体状态。有关量子纠缠的精确验证是当今物理学领域最重要的课题之一。此前，纠缠效应已被处于中低能区的大量光学、原子分子实验所证实，但在电弱统一的甚高能标下（等效于太阳核心温度的10万倍），基本粒子间的纠缠效应尚未得到充分探索；同时，隐藏的未知粒子（如暗物质粒子等）会对可见粒子间的纠缠产生间接干涉。因此，在实验上测量传递电弱相互作用的W/Z玻色子间的纠缠效应，对于验证量子力学在自然界中的普适性具有重要意义，也有望揭示新的物理现象。
图一：在ATLAS实验上测量Z玻色子间量子纠缠效应的示意图。LHC上的质子束(p)对撞产生希格斯玻色子（H）；它衰变成两个总自旋为0的互相纠缠的Z玻色子；Z玻色子再衰变成两对末态轻子（μ,e），从而在ATLAS探测器中产生我们唯一看得见的轨迹。基于末态轻子反推到由粉色框标注的ZZ*系统自旋量子态，就能揭示纠缠测量的目标: |ZZ*>≠|Z>U|Z*>，这个不等式表明两个Z玻色子的自旋是纠缠的，就像两个“拧”起来的陀螺，不能拆开各自描述。
中国科大ATLAS实验团队在该项工作中发挥主导作用，利用质心系能量为13和13.6 TeV的质子-质子碰撞数据，以希格斯玻色子衰变为一对Z玻色子、并进一步产生四个轻子的过程H→ZZ*→4ℓ为探针（图1）。Z玻色子的自旋信息会保留在其衰变产生的轻子飞行方向中，据此，实验团队利用四个轻子的衰变角信息研究两个Z玻色子间的自旋关联，并基于双“量子三元”系统的自旋密度矩阵构造了对量子纠缠敏感的观测量。直接测量结果与标准模型预言一致，但受现有数据量限制，统计显著性仍较低。为进一步提高检验灵敏度，团队构造了仅含纵向极化Z玻色子的无纠缠参考样本，并比较有、无纠缠两种假设下纠缠鉴别量的分布（图2）。实验数据明显倾向于标准模型所预言的纠缠情形，最终以4.7倍标准偏差的显著性排除了两个Z玻色子之间不存在量子纠缠的可能性。
图二：量子纠缠假设检验结果。（左）用于区分有、无纠缠情形的鉴别量分布，黑点为实验数据，蓝色和橙色曲线分别表示标准模型含纠缠情形和无纠缠参考情形；（右）两种假设下检验统计量的分布，实验结果以4.7倍标准偏差的显著性排除了无纠缠假设。
论文主要完成人为我校博士生刘子瑞、吴星宇和田纯浩，指导教师包括刘明依特任副研究员和徐来林特任教授，其中刘明依担任分析组负责人。中国科大ATLAS实验组是赵政国院士领导下的一支具有相当规模和凝聚力的稳定团队，目前包括16名教授、副教授，3名特任副研究员，6名博士后，近30名博士和硕士研究生。科大组成员负责或参与探测器建造、运行维护及性能研究、触发优化、末态重建性能的标定，以及广泛的物理研究。在标准模型的精确检验和测量、希格斯粒子的发现和性质研究，以及超出标准模型的新物理的直接寻找的物理研究中，取得了多个以科大组为主导并得到ATLAS国际合作组高度评价的重要物理结果。
论文链接：https://doi.org/10.1103/y1nh-1b82
ATLAS合作组亮点报道链接：https://atlas.cern/Updates/Briefing/Run3-Higgs-4l
（物理学院、科研部）
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