大型強子對撞機可能正在湧現一些不尋常的新物理現象，粒子在那裡表現出令人驚訝的行為。粒子物理學家認為，質子和鉛核之間的碰撞可能正在形成一種依賴量子糾纏的新型物質。
大型強子對撞機（LHC）的兩大磁鐵粒子探測器之一——緊湊型μ子螺線管探測器，一直在進行鉛離子和質子的碰撞實驗。當粒子以驚人的能量碰撞時，它們會分解成組成它們的粒子，物理學家會在這些碎片中尋找這些基本粒子。今年夏天，LHC的科學家就是這樣發現了希格斯玻色子。 （在這個新案例中，科學家們尋找的是粒子的行為，而不是新的基本粒子。）
爆炸產生的碎片通常會以接近光速的速度向四面八方飛散——但有時，這些碎片會呈現出不同的行為。它們彼此遠離，卻又以一種有序的方式飛散，彼此之間存在著關聯。這種現像先前已在質子-質子碰撞以及鉛等重金屬原子核碰撞中觀察到。在重離子碰撞中，這種關聯性是有一定道理的，因為物理學家認為這是由一種稱為夸克-膠子等離子體的物質造成的。這種翻騰的粒子湯與宇宙大爆炸後最初幾百萬分之一秒內存在的原始粒子湯相同。這種粒子湯將粒子聚集在一起，並推動它們朝同一方向移動。類似地，在質子-質子碰撞中，粒子被認為會捲入一種稱為色玻璃凝聚態的物質中，這種凝聚態也表現出類似膠子波的行為。
現在，CMS的科學家表示，這種方向相關性也出現在質子-鉛碰撞中。這令人驚訝。麻省理工學院認為，這可能與量子力學有關。
「儘管我們不清楚它們是如何相互傳遞方向訊息的，但它們卻以某種方式朝著同一個方向飛行。這讓包括我們在內的許多人感到驚訝，」麻省理工學院物理學教授岡瑟·羅蘭（Gunther Roland）告訴麻省理工學院新聞。他的團隊領導了對碰撞數據的分析。
9月份，CMS實驗組的成員將粒子加速器的功率提升到略高於其滿功率的一半，並開始用鉛核和質子進行碰撞實驗，以尋找這種雙粒子角關聯。在200萬次鉛-質子碰撞的樣本中，有幾對粒子在碰撞過程中分離，且它們的各自運動方向有關聯。這是怎麼回事？
大型強子對撞機（LHC）和其他粒子對撞機的目的在於加速粒子，賦予它們更多能量，從而增加質量。這使得粒子“更重”，爆炸時產生更多碎片。但這也會改變粒子的行為。具體來說：普通質子由三個夸克組成，但當質子加速並變得更重時，會額外結合膠子。這些膠子（嚴格來說，所有粒子都是如此）既具有粒子性又具有波性。它們的波函數彼此關聯——正如麻省理工學院新聞所解釋的那樣，它們處於量子糾纏狀態。這種量子糾纏，或者說“幽靈般的超距作用”，解釋了為何相距甚遠的粒子會表現出相似的行為。
為什麼要關注這一切？結果完全出乎意料——CMS團隊進行了一些質子-鉛碰撞實驗，目的是為了獲得更好的控制數據。這本身就很有趣。但更重要的是，它揭示了我們對微觀層面某些行為的新認識。加深我們對質子內夸克和膠子行為的理解，將有助於我們更好地理解構成所有物質的基本單元，以及宇宙大爆炸後物質的演化過程。這正是大型強子對撞機（LHC）的建造初衷。
麻省理工學院新聞
