作為量子力學中最具代表性的反直覺現象，我們對“量子糾纏”這個詞已經不陌生了。如今，許多科學家正在尋求糾纏的應用，比如創造出更強大的通信工具和量子計算機。但迄今為止，對糾纏的大多數觀測，都是在光子或者相同電子之間發生的。

近日，布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機(RHIC)的研究團隊進行了一項特別的實驗，首次觀測到了不同粒子之間的量子糾纏。與此同時，他們還將它作為一種新的方法加以使用，能夠以驚人的精度觀察原子核內部的形狀和細節。研究已于近日發表在《科學進展》上。

光子與膠子的相互作用

RHIC是用于研究物質基本性質的一項有力工具。物理學家可以在這里研究核物質的最內部基本構成，也就是構成質子和中子的夸克，以及把夸克綁在一起的膠子(原子核內強力的載力粒子)。

RHIC上的STAR探測器，就像一臺碩大無比的3D數碼相機，追蹤從探測器中心的粒子對撞中出現的粒子。(圖/STAR)

物理學家會讓一些重原子(比如黃金)的原子核在對撞機中以接近光速的速度沿相反方向運動。當核子(或者說離子)之間相互碰撞時，可以“熔化”質子和中子之間的邊界，讓夸克和膠子就像是存在于質子和中子形成之前的宇宙早期時那樣，使科學家能對這樣的夸克和膠子進行研究，

不過，為了能更進一步地了解將這些基本構件牢牢綁定在一起的基本力，核物理學家也想知道夸克和膠子在原子核內(就像它們現在的存在狀態那樣)會有怎樣的行為。

最近，RHIC的科學家發現了一種新的方法來研究原子核的內部細節。這種方法依賴于當金離子在對撞機里加速時圍繞在它們身邊的光子，以及一種從未見過的新型量子糾纏。

這些光子是偏振的，它們的電場從離子的中心向外輻射。如果兩個金離子非常近地擦身而過，但不發生對撞，那么圍繞一個離子的光子就可以探測另一個離子的內部結構。

這是因為，一個金離子周圍的光子，會和另一個金離子內部的膠子發生相互作用。通過一系列量子漲落，光子與膠子的相互作用產生了一種短壽命的中間粒子，被稱為ρ介子(ρ?)。ρ介子會迅速衰變成一對帶不同電荷的π介子(π?和π?)。物理學家可以通過這兩個π介子的動量之和，得出ρ的動量，以及膠子分布和光子模糊效應等信息。

為了提取出膠子分布的信息，科學家需要測量π?或π?的路徑與ρ的軌跡之間的角度。這一角度越接近90°，光子探針產生的模糊就越小。通過追蹤由以一系列角度和能量運動的ρ介子產生的π介子，就可以繪制出整個原子核的膠子分布。

科學家使用STAR探測器，通過追蹤正(藍色)和負(紅色)的π介子對，來研究膠子的分布。這些π介子對來自ρ介子(紫色)的衰變。π介子和ρ介子的軌跡之間的角度(Φ)越接近90度，對膠子分布的觀測就越清晰。研究證明，被測量的π?或π?粒子經歷了一種新型的量子糾纏。(圖/STAR)

同時，在新分析的數據中，研究人員觀測到了π?和π?之間的量子干涉。這是一種全新的量子糾纏現象，它能使科學家非常精確地測量光子的偏振方向。正是這種奇異的現象，證明了撞擊STAR探測器的π?和π?粒子，是由這兩個不同的帶相反電荷的粒子糾纏產生的干涉模式引起的。

別忘了，我們談論的所有粒子不僅作為物理對象存在，也作為波存在。就像池塘表面的漣漪在撞擊巖石時向外輻射一樣，描述粒子波峰和波谷的數學“波函數”可以相互干涉，來加強或者抵消彼此的作用。

當圍繞著兩個接近的高速離子的光子，與原子核內的膠子相互作用時，就好像這些相互作用實際上產生了兩個ρ介子，每個原子核中有一個。當每個ρ介子衰變為π?和π?時，來自兩個ρ衰變的π?的波函數就會發生干涉。當加強的波函數撞擊到STAR探測器時，探測器就看到一個π?的波函數(也就是粒子)。同樣的事情發生在兩個π?的波函數上。

干涉發生在相同粒子的兩個波函數之間，但如果沒有兩個不同的粒子(π?和π?)之間的糾纏，這種干涉就不會實現。

實現二維成像

讓研究人員能非常精確地測量光子的偏振方向。這反過來又讓他們沿著光子的運動方向和垂直于它的方向觀察膠子的分布，也就是二維成像。

這種二維成像被證明非常重要。過去所有的測量，在不清楚偏振方向的情況下，所測得的膠子密度都是一個平均值，是與原子核中心距離的函數。那是一種一維的圖像。它會導致圖片被這些光子效應扭曲。當與理論模型和核內電荷分布的測量結果相比，這些測量結果都讓原子核看上去太大了。但橫向的測量可以避免光子模糊。

現在，物理學家就可以拍攝一張照片，真正區分在某個特定的角度和半徑的膠子密度。圖像可以變得相當精確，甚至可以開始看到質子和中子在這些大核之內的布局之間的差異。

這項技術就好像醫生使用正電子發射體層成像(PET)來觀察腦和其他身體部位的情況，但在這里，卻是在飛米尺度上繪制特征。定性來講，新的圖片與使用膠子分布的理論預測，以及對核內電荷分布的測量吻合。

研究人員相信，未來在RHIC上使用更重的粒子和不同的壽命進行的測量，以及布魯克海文正在建造的電子-離子對撞機(EIC)，將有機會進一步探測核內膠子的更詳細分布，并測試其他可能的量子干涉。