Команда Фуданьского университета впервые извлекла матричный элемент CKM |Vus| с помощью квантовой запутанности в эксперименте на коллайдере

Вечером 2 сентября 2026 года по пекинскому времени команда Ло Тао из Института современной физики Фуданьского университета совместно с коллегами опубликовала в журнале Nature результаты исследования под названием “Exploring baryon semileptonic decays through polarization and entanglement”. В этом исследовании впервые в эксперименте на коллайдере с использованием квантовой запутанности и поляризационной информации был извлечён матричный элемент Кабиббо—Кобаяси—Маскавы (CKM) |Vus|, что открыло новый экспериментальный путь для точной проверки Стандартной модели физики элементарных частиц.

Матрица CKM используется для описания интенсивности переходов между различными кварками в слабом взаимодействии. Элемент |Vus| соответствует переходу странного кварка в верхний кварк, и точность его значения связана с проверкой механизма смешивания трёх поколений кварков в Стандартной модели. В настоящее время результаты определения |Vus| из разных каналов распада всё ещё различаются, а проверка унитарности первой строки матрицы CKM также демонстрирует определённое напряжение, поэтому требуются дополнительные независимые методы измерения для их верификации.

Данное исследование сосредоточено на β-распаде Λ-гиперона. Λ-гиперон состоит из одного верхнего, одного нижнего и одного странного кварка и может распадаться на другие частицы за чрезвычайно короткое время. Его β-распад включает переход странного кварка в верхний кварк с одновременным рождением электрона и антинейтрино. Поскольку антинейтрино трудно непосредственно зарегистрировать детектором, традиционные измерения сталкиваются со значительными трудностями.

Схема β-распада Λ-частицы: Λ-частица распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино через виртуальный W⁻-бозон. Круговая диаграмма демонстрирует относительную величину доминирующих векторного и аксиально-векторного форм-факторов, участвующих в этом переходном процессе

В эксперименте BESIII (Beijing Spectrometer III) Λ и анти-Λ рождаются парами и сохраняют спиновую квантовую запутанность. Исследовательская группа, регистрируя видимые продукты распада на стороне анти-Λ, реконструировала информацию об анти-Λ, а затем с помощью соотношения квантовой запутанности косвенно получила информацию о рождении Λ; для невидимого антинейтрино использовались законы сохранения энергии и импульса. Команда включила рождение, поляризацию, квантовую запутанность Λ и анти-Λ, а также распады с обеих сторон в единый метод совместного многопараметрического углового распределения для анализа, что позволило извлечь физическую информацию, которую ранее было трудно различить.

Результаты, связанные с |Vus|: (левый рисунок) демонстрирует ограничения унитарности первой строки CKM, а также средние значения, измеренные по распадам K-мезонов и τ-лептонов; результаты по двум гиперонам взяты из работы Cabibbo. (правый рисунок) показывает вклад различных источников неопределённости измерения |Vus| в данном исследовании в виде дисперсии.

Исследование длилось шесть с половиной лет. Поскольку вероятность β-распада Λ-гиперона очень мала, команда в конечном итоге отобрала 1854 сигнальных события из 10 миллиардов событий распада J/ψ, что составило лишь одну двадцатую от объёма сигнальной выборки раннего эксперимента Национальной ускорительной лаборатории Ферми в США. Несмотря на ограниченную статистику, исследовательской группе удалось достичь точности измерений, сопоставимой с существующими высокоточными экспериментами, а также впервые измерить абсолютный коэффициент ветвления β-распада Λ-гиперона, параметры электрослабого взаимодействия и несколько параметров распада анти-Λ, заполнив соответствующие экспериментальные пробелы.

Исследователи отметили, что значимость этой работы заключается не только в получении новых экспериментальных значений, но и в доказательстве того, что квантовая запутанность и поляризационный анализ могут быть преобразованы в практически измеримую информацию в β-распадах барионов. Данный метод уже распространён на последующие исследования других барионов на BESIII и, как ожидается, обеспечит методологическую поддержку для большего числа измерений β-распадов гиперонов, а также для исследований на крупных научных установках следующего поколения.

Профессор Института современной физики Фуданьского университета Ло Тао является фактическим ответственным автором статьи, а доцент (специально приглашённый) Школы математики и физики Юго-Западного университета науки и технологий Ван Шунь — фактическим первым автором. В работе также приняли участие исследователи из Юго-Восточного университета, Института физики высоких энергий Китайской академии наук, Уппсальского университета (Швеция) и других организаций. Исследование поддержано Национальной программой ключевых исследований и разработок Министерства науки и технологий, Национальным фондом естественных наук Китая, Министерством образования и другими проектами.