量子纠缠被称为“幽灵般的超距作用”，如今，它帮助科学家将看不见的粒子信息转化为可计算的数值，从而填补实验物理的空白。
北京时间2026年9月2日晚间，复旦大学现代物理研究所罗涛团队与合作者以“Exploring baryon semileptonic decays through polarization and entanglement”为题在《自然》（Nature）发表研究成果，首次在对撞机实验中，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。
这一突破性成果不仅验证了量子纠缠在高能物理实验中的关键作用，更展示了极化测量在精确检验方面的巨大潜力，该方法已拓展至北京谱仪III（BESIII）后续其他重子研究，将有望为下一代大科学装置发展提供重要方法论支撑。
借助量子纠缠，为精确检验标准模型开辟新路径
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”，在弱相互作用下，一种“味”的夸克可以转变为另一种“味”。
但这种转变并非没有条件。不同夸克之间的转变强度不同，物理学家用一张3x3的数表来描述这些强度，即CKM矩阵，其中的每一个矩阵元描述一种夸克转变的强弱。按照标准模型的理论，CKM矩阵中的参数需要满足严格的幺正性关系——每一行的三个矩阵元，它们的模的平方加起来必须等于1。
CKM矩阵中的|Vus|对应奇异夸克向上夸克的转变，其数值是否精确，直接关系到标准模型对三代夸克混合的描述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。目前，这种张力不足以说明存在新的物理效应，却迫切要求更多彼此独立的测量途径，来排除实验方法和理论计算中可能存在的影响。
Λ超子的β衰变恰好提供了一种理想途径。Λ超子由一个上夸克、一个下夸克和一个奇异夸克组成，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反中微子，这一过程的发生概率既取决于|Vus|，也与描述Λ内部结构的形状因子密切相关。
然而，反中微子像“幽灵”一样穿透探测器，带走关键能量与动量；而仅观察Λ超子单侧衰变，犹如只看了地图的一角，不同物理效应混在一起，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，此后长期缺乏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。
“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。
罗涛教授团队历时六年半攻关，首次将量子纠缠和极化信息引入研究，创造性地开发了一套独特的联合角分布多变量拟合方法。他们将Λ与反Λ的产生、极化、量子纠缠和两侧衰变作为一个完整过程进行分析，对于“看不见”的反中微子，团队则利用能量动量守恒反推它的行踪。这样一来，“看得见”与“看不见”的两方面信息结合，使原本模糊的物理图像清晰可辨。
二十分之一的样本量，如何达到同等精度？
引入量子纠缠和极化测量方法后，团队初步攻克了衰变过程的测量难题。然而，科研创新之路并非一帆风顺，在实验过程中，他们遇到了一大严峻挑战——统计量严重不足。
由于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，最终仅筛选出1854个信号事例，信号样本仅为美国费米国家实验室早期实验的二十分之一。在如此有限的统计量下要达到与前辈实验相当的测量精度，这几乎是一个不可能完成的任务。
β衰变
困难并非无法逾越，从BESIII实验的天然优势中，团队获得了关键启发。北京谱仪III（BESIII）是运行在中国科学院高能物理研究所北京正负电子对撞机II上的大型通用粒子探测器。它的独特优势在于，它通过J/ψ衰变同时产生Λ和反Λ，且两者的自旋状态相互关联、保持量子纠缠，在测量前，两个粒子都没有独立确定的状态。这意味着，反Λ一侧的衰变方向不仅可用于事例确认，更能为Λ一侧的初始自旋提供约束。
Λ粒子β衰变示意图：Λ粒子通过一个虚W⁻玻色子衰变为质子、电子和电子反中微子。饼图展示了参与该跃迁过程的主导矢量与轴矢量形状因子的相对大小
团队开始思考，能否将反Λ一侧“浪费”掉的纠缠信息“捡回来”，用于辅助Λβ衰变的测量？过去人们主要依赖β衰变本身的信息，而新的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，从而更易于区分。
研究经历了漫长而繁复的数据准备阶段。BESIII实验采集的数据以原始电信号形式存储，合作组成员各司其职，用约一年时间完成数据采集，再经过重建处理，将每个电信号转化为粒子的动量、能量等可分析信息。此后，团队花费了七八个月时间，从100亿个对撞事例中像“大海捞针”一般筛选出有价值的信号，以便后续分析。
|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。
最终，这项历时六年半的攻关取得了扎实成果，虽然信号样本仅为费米实验室的二十分之一，团队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。
“让已有数据焕发新生”
研究超子β衰变是罗涛课题组的主要研究方向之一，自2019年至今，团队已在这一领域埋头耕耘近七年。本项成果的意义远不止获得了新的实验数值，更在于证明量子纠缠和极化分析能够转化为重子β衰变中的实际测量信息。
“这项工作是在重要方法论突破的基础上取得的重大物理进展。”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指出，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，为人们在BESIII能区精确检验CKM幺正性开辟了一条新路径。
中国科学院院士、华东师范大学/复旦大学教授马余刚对此项研究给予了高度评价。在他看来，罗涛团队六年半的坚持，最终成就了一项开创性工作。其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”。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，既是中国科学家在基础物理前沿的一次精彩亮相，也为下一代大科学装置的物理目标埋下了深远伏笔。
从2021年初步发表成果，到今年的顶刊突破，罗涛团队在超子β衰变领域不断求索。下一步，团队将继续深挖这一方向，研究更多超子的β衰变；同时扩展新的物理方向，探索粒子物理领域的更前沿。
复旦大学现代物理研究所教授罗涛为论文的实际通讯作者，西南科技大学数理学院特聘副教授王顺（复旦大学2025届博士毕业生）为论文的实际第一作者。东南大学物理学院副研究员潘祥、中国科学院高能物理研究所博士后Varvara Batozskaya、瑞典乌普萨拉大学研究员Andrzej Kupsc和Patrik Adlarson是论文的主要完成人。本研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、教育部等项目的资金支持。
罗涛团队合影
北京谱仪III（BESIII）是运行在北京正负电子对撞机（BEPCII）上的大型粒子物理探测器，其国际合作者由来自15个国家约96个研究机构的约700名科学家组成。实验聚焦陶-粲能区的精密物理研究，在强子谱学、粲物理、陶物理和新物理寻找等领域取得了一系列世界领先成果。中国科学院高能物理研究所的北京谱仪III探测器和北京正负电子对撞机加速器运行维护团队在数据采集过程中、北京谱仪III离线软件团队和高能物理研究所计算中心在数据分析过程中的高效工作为本研究提供了保障。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10818-8