100亿次碰撞中“打捞”标准模型密码：量子纠缠让粒子物理探测有了新算法

“量子纠缠”被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”。复旦大学现代物理研究所罗涛团队与合作者，在对撞机实验中利用量子纠缠与极化信息提取了卡比博—小林—益川（CKM）矩阵元|Vus|，为精确检验标准模型开辟了一条全新路径。北京时间2026年9月2日，这项研究成果发表在顶级学术期刊《自然》（Nature）杂志上。

标准模型的“体检表”出现了偏差

标准模型是粒子物理学中一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及所有组成物质的基本粒子的理论。

在标准模型中，构成万物的基本粒子可以分为两大类：夸克和轻子。夸克有六种“味道”，在弱相互作用下，一种“味道”可以“变味”成另一种。物理学家用一张3×3的CKM矩阵来记录这些“变味”的强度。矩阵里的每个数字都必须满足严格的的幺正性关系：每一行的三个矩阵元，平方和等于1。

其中，CKM矩阵中的|Vus|，对应奇异夸克向上夸克的转变。这个数值准不准，直接关系到标准模型本身是否经得起严格检验。当前，不同衰变过程所测得的|Vus|之间存在差异，CKM矩阵的第一行幺正性检验也显示出一定的张力——虽然还不足以断言存在新的物理效应，但迫切要求更多彼此独立的测量方式来交叉验证。

Λ超子的β衰变恰好提供了一条理想途径。Λ超子由上夸克、下夸克和奇异夸克组成，在极短时间内，它就会衰变成其他粒子。这一衰变过程表现为奇异夸克转变为上夸克，同时产生一个电子和一个几乎“看不见”的反中微子。这个衰变的发生概率，既取决于|Vus|，又与Λ超子内部结构的形状因子有关。

问题在于，反中微子像幽灵一样穿透探测器，带走关键的能量与动量信息；而只观察Λ超子单侧衰变，又好比只看到地图的一角，不同物理效应混杂在一起，难以分辨。三十多年前，美国费米实验室曾完成该领域最精确的测量，此后长期没有新的高精度实验进展。如何精准测量Λ超子的β衰变过程？这是验证标准模型的关键。

二十分之一的样本，同等的精度

“BESIII实验里，Λ和反Λ是成对产生的，而且它们的自旋状态存在量子纠缠。我们通过探测反Λ衰变成两个可以看见的粒子，反推出反Λ的信息，再通过量子纠缠关系，间接拿到Λ的产生信息，那些‘看不见的’就被我们算出来了。”罗涛介绍。团队花了六年半时间，创造性地开发出一套联合角分布多变量拟合方法，把Λ的产生、极化、量子纠缠和两侧衰变作为一个完整过程来分析。对于看不见的反中微子，则利用能量动量守恒反推它的行踪。

但是，创新之路并不平坦。Λ超子β衰变的发生概率极低，团队在100亿个J/ψ衰变事例中，最终只筛选出1854个信号事例——这个样本量，仅仅是当年美国费米实验室实验的二十分之一。用如此有限的数据达到与之相当的测量精度，看上去几乎是不可能完成的任务。

β衰变

困难也并非无法逾越。过去人们主要依赖β衰变本身的信息，而新方法将正反两侧的衰变方向联合起来，原本在单侧容易混淆的衰变结构，在联合角分布中会呈现截然不同的特征，从而更容易区分。这相当于把反Λ一侧“浪费”掉的纠缠信息重新“捡回来”，用来辅助Λβ衰变的测量。

经过漫长而繁复的数据准备——从数据采集、信号重建到从100亿个对撞事例中“大海捞针”般筛选信号，团队最终取得了扎实成果：虽然信号样本仅为费米实验室的二十分之一，但对关键物理量的测量精度却与之相当，同时还首次测得了Λ超子β衰变的绝对分支比、弱电耦合参数以及反Λ的多个衰变参数，填补了领域内多项实验空白。

|Vus|相关结果：（左图）展示了第一行CKM幺正性约束，以及分别由K介子衰变和τ轻子衰变测得的平均值，两个超子衰变结果则取自Cabibbo的工作（右图）给出了以方差形式表示的本次|Vus|测量不确定度的各个贡献来源。

“让已有数据焕发新生”

BESIII合作组发言人、中国科学院高能物理研究所研究员李海波评价说，这项工作是在重要方法论突破基础上取得的重大物理进展，“罗涛团队创造性地引入量子纠缠和极化分析，极大提升了单事例的物理信息提取效率，首次实现了对正反Λ超子β衰变关键参数的同步测量”。

中国科学院院士、华东师范大学/复旦大学教授马余刚则用了一个形象的比喻：这就像借助人工智能，从斑驳泛黄的老照片中复原出清晰的细节。“突破不依赖于更先进的设备去堆叠数据量，而在于用更精妙的思路，让已有数据‘焕发新生’。”他说。

从2021年初步发表成果，到今年登上《自然》杂志，罗涛团队在超子β衰变领域不断求索。下一步，他们将继续研究更多超子的β衰变，同时扩展新的物理方向，探索粒子物理的更前沿。