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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)STAR組與美國布魯克海文國家實驗室、山東大學(xué)等單位的聯(lián)合研究團隊，在STAR國際合作組中發(fā)揮主導(dǎo)作用，首次在高能重離子碰撞過程中以不穩(wěn)定粒子ρ0介子為實體實現(xiàn)了費米尺度的單粒子雙縫干涉實驗，并利用該過程的線性偏振特征觀測到極化空間的干涉現(xiàn)象。該研究以題為《Tomography of ultra-relativistic nuclei with polarized photon-gluon collisions》于1月4日在《科學(xué)進展》（《Science Advances》）上發(fā)表。

ρ0介子的雙縫干涉示意圖及其衰變角二階余弦調(diào)制系數(shù)的測量結(jié)果

波粒二象性是量子力學(xué)的基石原理，也是量子力學(xué)“反常識”和“反直覺”的源頭之一。而單粒子的雙縫干涉思想實驗?zāi)軌蚍浅Ｖ苯拥貜默F(xiàn)象上詮釋波粒二象性。近半個世紀(jì)以來，實驗學(xué)家們相繼以光子、電子、原子、分子和生物大分子作為干涉實體，實現(xiàn)了該思想實驗。那么，對于高能核物理實驗中常見的不穩(wěn)定粒子是否也能夠作為實體產(chǎn)生雙縫干涉現(xiàn)象呢？STAR的研究團隊利用甚高能原子核對撞中相干光致產(chǎn)生的不穩(wěn)定粒子ρ0（壽命約為1 費米/光速）作為干涉實體實現(xiàn)了費米尺度的雙縫干涉實驗，這也是目前尺度最小的雙縫干涉實驗。如圖所示，在金核-金核碰撞中，兩個對撞核都可以作為ρ0介子散射的靶核（“縫”），從而形成干涉。該過程產(chǎn)生的ρ0介子是完全線性極化的，其衰變產(chǎn)物趨向于沿著極化方向運動，從而導(dǎo)致衰變角的二階余弦調(diào)制隨著ρ0介子橫動量大小呈現(xiàn)周期變化（如圖所示），這是雙縫干涉現(xiàn)象在極化空間的首次體現(xiàn)。有意思的是，在這些對撞中兩個“縫”之間的典型距離約為20費米，遠(yuǎn)大于ρ0介子衰變之前所能到達(dá)的距離，這表明來自兩個“縫”的ρ0介子波函數(shù)在相遇重疊之前就已經(jīng)衰變，ρ0介子的雙縫干涉實際上是由其衰變產(chǎn)物（比如π+π-對）的協(xié)同合作而產(chǎn)生。這些衰變的π+π-對“超時空”地協(xié)同完成干涉，是詮釋量子糾纏現(xiàn)象的一個絕佳范本。

中國科大物理學(xué)院粒子物理與原子核物理專業(yè)查王妹副教授為這篇合作組文章的主要作者，在實驗分析中做出了突出貢獻。此外，查王妹副教授還建立了相關(guān)唯象理論模型，對甚高能原子核對撞中相干光致產(chǎn)物的雙縫干涉進行了理論研究，文章發(fā)表在PRC99，061901(2019)和PRD103，033007(2021)上，對實驗測量有重要指導(dǎo)意義。STAR是基于美國布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機（RHIC）上STAR實驗的大型國際合作組，由來自14個國家71個單位的七百多位科研人員組成。該項研究受到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等單位資助。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq3903

（物理學(xué)院、科研部）