复旦团队首次在对撞机实验中借助量子纠缠提取CKM矩阵元|Vus|

北京时间2026年9月2日晚，复旦大学现代物理研究所罗涛团队与合作者在《自然》发表题为“Exploring baryon semileptonic decays through polarization and entanglement”的研究成果。该研究首次在对撞机实验中利用量子纠缠与极化信息，提取卡比博—小林—益川(CKM)矩阵元|Vus|，为精确检验粒子物理标准模型提供了新的实验路径。

CKM矩阵用于描述不同夸克在弱相互作用下相互转变的强度。其中，|Vus|对应奇异夸克向上夸克的转变，其数值精度关系到标准模型中三代夸克混合机制的检验。当前，不同衰变过程给出的|Vus|结果仍存在差异，CKM矩阵第一行幺正性检验也显示出一定张力，因此需要更多彼此独立的测量方法加以验证。

此次研究聚焦Λ超子的β衰变。Λ超子由一个上夸克、一个下夸克和一个奇异夸克组成，可在极短时间内衰变为其他粒子。其β衰变过程涉及奇异夸克转变为上夸克，同时产生电子和反中微子。由于反中微子难以被探测器直接捕捉，传统测量面临较大困难。

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

在北京谱仪III(BESIII)实验中，Λ和反Λ成对产生，并保持自旋量子纠缠。研究团队通过探测反Λ一侧可见衰变粒子，反推出反Λ信息，再借助量子纠缠关系间接获得Λ的产生信息;对于不可见的反中微子，则利用能量和动量守恒进行反推。团队将Λ与反Λ的产生、极化、量子纠缠及两侧衰变纳入同一套联合角分布多变量拟合方法中分析，使原本难以分辨的物理信息得到提取。

|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。

该研究历时六年半。由于Λ超子β衰变发生概率很低，团队从100亿个J/ψ衰变事例中最终筛选出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。尽管统计量有限，研究团队仍实现了与既有高精度实验相当的测量精度，并首次测得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，填补了相关实验空白。

研究人员表示，这项工作的意义不仅在于获得新的实验数值，更在于证明量子纠缠和极化分析可以转化为重子β衰变中的实际测量信息。该方法已拓展至BESIII后续其他重子研究，有望为更多超子β衰变测量以及下一代大科学装置相关研究提供方法支撑。

复旦大学现代物理研究所教授罗涛为论文实际通讯作者，西南科技大学数理学院特聘副教授王顺为论文实际第一作者。东南大学、中国科学院高能物理研究所、瑞典乌普萨拉大学等机构研究人员参与完成该项工作。研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、教育部等项目支持。