盡管我們?cè)诿枋隹淇撕湍z子等基本組成部分在高能下的相互作用方面取得了顯著成功，但一個(gè)重要的難題依然存在：這些轉(zhuǎn)瞬即逝、帶有色荷的實(shí)體如何轉(zhuǎn)化為我們觀測(cè)到的穩(wěn)定、電荷中性的復(fù)合粒子，例如質(zhì)子、中子和介子？這個(gè)被稱為強(qiáng)子化的過(guò)程是粒子物理學(xué)的基石，但它發(fā)生在強(qiáng)力變得異常強(qiáng)大的低能量尺度，具有非微擾的性質(zhì)，因此從第一性原理直接計(jì)算一直以來(lái)都非常困難。在此背景下，發(fā)表在PRL的最新論文“糾纏作為強(qiáng)子化的一種探針”提出了一種引人入勝且可能具有開(kāi)創(chuàng)性的方法，利用量子糾纏這種反直覺(jué)的力量來(lái)闡明這一難以捉摸的現(xiàn)象。

強(qiáng)子化是 QCD 微擾區(qū)與非微擾區(qū)之間的關(guān)鍵聯(lián)系。當(dāng)發(fā)生高能對(duì)撞時(shí)，例如在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中，會(huì)產(chǎn)生夸克和膠子。然而，由于色禁閉，它們無(wú)法單獨(dú)存在。當(dāng)一個(gè)部分子遠(yuǎn)離相互作用點(diǎn)時(shí)，它與其他色荷之間的色力會(huì)隨著距離增加而增加。這種不斷增加的勢(shì)能最終轉(zhuǎn)化為新的夸克-反夸克對(duì)和膠子，這些粒子隨后結(jié)合并重新排列，形成一簇簇電荷中性的強(qiáng)子。這種復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的過(guò)程在理論上很難建模，通常依賴于唯象模型，如弦碎裂或團(tuán)簇碎裂模型，這些模型雖然成功地描述了許多實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，但缺乏從 QCD 推導(dǎo)出的基本依據(jù)。尋求對(duì)部分子如何轉(zhuǎn)化為強(qiáng)子這一過(guò)程更深入、更基本的理解是核物理和粒子物理學(xué)的一個(gè)核心課題。

量子糾纏是一種獨(dú)特的量子力學(xué)關(guān)聯(lián)，其中兩個(gè)或多個(gè)粒子的命運(yùn)相互交織，無(wú)論它們之間的空間距離如何。測(cè)量其中一個(gè)糾纏粒子的屬性會(huì)瞬間影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦形象地描述為“幽靈般的超距作用”。盡管看起來(lái)抽象，但糾纏越來(lái)越被認(rèn)為是復(fù)雜量子系統(tǒng)的基本特征，并在凝聚態(tài)物理、量子計(jì)算等不同領(lǐng)域得到探索。它與高能物理，特別是強(qiáng)力背景下的相關(guān)性，已成為一個(gè)日益受到關(guān)注的話題。

之前的理論工作，表明質(zhì)子在高能下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在其組成部分子之間可能表現(xiàn)出顯著程度的量子糾纏。這種最大糾纏的假設(shè)導(dǎo)致了一個(gè)引人注目的預(yù)測(cè)：質(zhì)子的部分子分布函數(shù)與涉及該質(zhì)子的高能相互作用中產(chǎn)生的強(qiáng)子的熵之間存在一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系。這一預(yù)測(cè)隨后與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果一致，表明糾纏可能確實(shí)在高能強(qiáng)子的基本結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用。

論文“糾纏作為強(qiáng)子化的一種探針”將這一思想向前推進(jìn)了一大步，將糾纏框架專門應(yīng)用于噴注的強(qiáng)子化過(guò)程。噴注是高能夸克或膠子碎裂時(shí)產(chǎn)生的一簇準(zhǔn)直的強(qiáng)子，它們是強(qiáng)子化過(guò)程的直接體現(xiàn)。作者假設(shè)，一個(gè)演化中的噴注內(nèi)部的部分子系統(tǒng)，特別是在高橫向動(dòng)量下，也處于最大糾纏的狀態(tài)。考慮到初始的高能部分子會(huì)經(jīng)歷一系列分支過(guò)程，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的、遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單的、可分離的量子系統(tǒng)的多部分子狀態(tài)，這是一個(gè)合理的假設(shè)。

基于噴注內(nèi)部最大糾纏的假設(shè)，作者推導(dǎo)出了一個(gè)預(yù)測(cè)關(guān)系：噴注碎裂函數(shù)與噴注中最終態(tài)強(qiáng)子的熵之間的關(guān)系。在此背景下，強(qiáng)子熵衡量了產(chǎn)生強(qiáng)子的“無(wú)序度”或可用態(tài)的數(shù)量，通常與它們的多重性分布有關(guān)。核心思想是，潛在的部分子態(tài)的最大糾纏在最終產(chǎn)生的強(qiáng)子態(tài)的統(tǒng)計(jì)特性上留下了可觀測(cè)到的印記，部分子系統(tǒng)的糾纏熵與觀測(cè)到的強(qiáng)子最終態(tài)的熵直接相關(guān)。

為了檢驗(yàn)這一理論預(yù)測(cè)，研究人員利用了 ATLAS 合作組在 LHC 收集的大量數(shù)據(jù)，專門關(guān)注噴注的產(chǎn)生。他們將基于噴注內(nèi)部最大糾纏假設(shè)計(jì)算出的碎裂函數(shù)熵（由已建立的碎裂函數(shù)參數(shù)化推導(dǎo)而來(lái)）與預(yù)期的強(qiáng)子熵之間的關(guān)系，與 ATLAS 噴注中測(cè)得的實(shí)際強(qiáng)子熵進(jìn)行了比較。基于噴注內(nèi)部最大糾纏的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的吻合是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。它提供了令人信服的證據(jù)，表明量子糾纏在這種背景下不僅僅是一個(gè)抽象的理論概念，而可能作為強(qiáng)子化過(guò)程的一種定量描述符。

這項(xiàng)研究是一個(gè)具有里程碑意義的成就，因?yàn)樗鼧?biāo)志著量子糾纏框架首次被實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于探測(cè)強(qiáng)子化的復(fù)雜性。其意義是多方面的。首先，它為理解 QCD 從微擾到非微擾區(qū)域的轉(zhuǎn)變提供了一個(gè)新的視角。通過(guò)表明糾纏將初始部分子態(tài)的屬性與最終強(qiáng)子態(tài)的特性聯(lián)系起來(lái)，它為連接這兩個(gè)具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域提供了一個(gè)潛在的橋梁。其次，它引入了量子信息科學(xué)作為研究強(qiáng)相互作用的一個(gè)強(qiáng)大新工具。糾纏熵等概念，通常用于凝聚態(tài)或量子引力領(lǐng)域，被證明在高能核物理領(lǐng)域也具有相關(guān)性。

此外，這項(xiàng)研究為更深入地理解強(qiáng)子化的量子本質(zhì)打開(kāi)了大門。它不再僅僅將強(qiáng)子化視為一個(gè)經(jīng)典的弦斷裂或團(tuán)簇形成過(guò)程，而是強(qiáng)調(diào)了控制能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的內(nèi)在量子關(guān)聯(lián)。這可能促使開(kāi)發(fā)明確包含量子信息概念的新理論模型，從而可能提供更強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力，并對(duì)禁閉的基本機(jī)制有更深入的了解。