Спустя более тридцати лет измерение получило прорыв благодаря квантовой запутанности

После тридцатилетнего застоя в области измерений в физике элементарных частиц произошёл значительный прорыв. Международная группа сотрудничества в рамках эксперимента «Пекинский спектрометр III» (BESIII) впервые в экспериментах на коллайдере инновационно использовала квантовую запутанность и поляризационную информацию, успешно извлечив элемент матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава (CKM) |Vus|, описывающий интенсивность перехода странного кварка в верхний кварк. Это первый значительный теоретический прогресс в этой области после того, как тридцать с лишним лет назад лаборатория Ферми в США провела наиболее точные измерения в этой сфере, и он открывает совершенно новый независимый путь для точной проверки стандартной модели в физике элементарных частиц.

Процесс бета-распада лямбда-гиперона крайне редок и сложен для точного измерения, поскольку сложность заключается в том, что образующиеся при распаде антинейтрино, подобно «призракам», проходят сквозь детекторы, унося с собой ключевую информацию об энергии и импульсе. Команда под руководством профессора Ло Тао из Фуданьского университета за шесть с половиной лет впервые внедрила в исследования концепцию квантовой запутанности. В эксперименте BESIII лямбда-гиперон и анти-лямбда-гиперон находятся в состоянии квантовой запутанности, и команда, обнаружив направление распада анти-лямбда, может ретроспективно определить его состояние и, используя отношения квантовой запутанности, косвенно получить недоступную для наблюдения начальную информацию о спине лямбда-гиперона. Кроме того, команда разработала уникальный метод совместного углового распределения и многопеременной аппроксимации, объединив информацию о распаде с обеих сторон лямбда и анти-лямбда, успешно разделив ранее смешиваемые различные физические эффекты и превратив «невидимую» информацию в инструмент точных измерений.

Несмотря на то что статистический образец составляет лишь одну двадцатую от объёма ранних экспериментов лаборатории Ферми, благодаря этому методологическому прорыву команда достигла точности измерений, сопоставимой с результатами лаборатории Ферми, и впервые измерила абсолютную долю ветвления бета-распада лямбда-гиперона, параметры слабого электромагнитного взаимодействия и несколько параметров распада анти-лямбда. Этот результат не только демонстрирует, что квантовая запутанность и поляризационная информация могут значительно повысить чувствительность единичных измерений, но и расширяет применение метода к другим измерениям распада барионов в BESIII, потенциально предоставляя ключевую методологическую поддержку для будущих крупных научных установок и способствуя снижению напряжённости в проверке малости матрицы CKM.