近日，复旦大学现代物理研究所团队联合瑞典乌普萨拉大学、中国科学院高能物理研究所，依托北京谱仪III（BESIII）实验，在超子自旋物理与量子纠缠研究方面取得重要进展。相关成果以“First determination of the full spin density matrix in ψ(3686) → ”为题，作为研究论文(Article)发表于《Science Bulletin》。研究团队首次完整测定了 ψ(3686) → 衰变中 体系的自旋密度矩阵，并研究了该体系的量子纠缠和 Bell 非定域性。这里的 表示由 超子及其反粒子 组成的粒子—反粒子对。
自旋密度矩阵可以完整描述由两个自旋 1/2 粒子组成体系的单粒子极化和两粒子自旋关联。Λ 超子的弱衰变具有宇称破坏特性，其衰变产物的角分布携带母粒子的自旋信息，因此 体系为研究重子—反重子自旋结构提供了独特条件。
研究团队利用 BESIII 实验采集的约 4.48 亿个 ψ(3686) 事例，对 ψ(3686) → 衰变开展五维联合角分布分析，首次获得 体系完整的自旋密度矩阵。研究首次测得不同产生振幅之间的相对相位 ΔΦ = (20.6 ± 3.6(stat.) ± 0.6(syst.))°。这一相对相位可以理解为两种不同产生方式在量子力学上的“步调差异”：它决定了两种振幅如何相互叠加，并直接反映 产生过程中的强相互作用动力学。非零的相对相位还会使 Λ 超子的自旋在垂直于产生平面的方向出现偏向，即产生横向极化。实验测得横向极化最大值 Py = 0.074 ± 0.013(stat.) ± 0.003(syst.)，非零显著性达到 6.3σ。这意味着产生出的 Λ 超子并非在各个自旋方向上完全随机，而是呈现出可观测的方向性，为研究其产生机制提供了直接而灵敏的实验信息。
在此基础上，研究团队进一步研究了 体系的量子纠缠和 Bell 非定域性，测得平均 Bell 非定域性参数 m₁₂ = 1.266 ± 0.078(stat.) ± 0.049(syst.)，获得 3.7σ 的 CHSH 不等式破坏证据，为强相互作用产生的有质量费米子体系中的量子非定域性提供了新的实验依据。
该研究将强子产生动力学与量子信息研究统一在同一实验框架中：完整的自旋密度矩阵既包含 ψ(3686) → 的产生动力学信息，也描述 与 之间的自旋关联。研究团队还利用测得的产生参数开展了 S 波和 D 波振幅分析，为理解不同粲偶素态中的重子—反重子产生机制及超子自旋结构提供了新的实验输入。
复旦大学现代物理研究所初晓为论文实际第一作者，肖云龙在研究工作中发挥了重要作用，严亮为论文实际通讯作者。本研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和上海市东方英才项目的支持。
图1｜从粒子产生到量子纠缠
图注：BESIII对 体系进行了从产生动力学到量子关联的完整测量。四幅子图依次展示 Λ的产生角分布、横向极化、Bell 非定域性参数以及量子纠缠参数。完整自旋密度矩阵使这些看似不同的物理观测量能够在同一个实验框架下得到描述。
论文信息
BESIII Collaboration. “First determination of the full spin density matrix in ψ(3686) → ΛΛbar” Science Bulletin (2026). DOI: 10.1016/j.scib.2026.09.056.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927326011394
BESIII highlights: http://bes3.ihep.ac.cn/hi/202609/t20260928_1201548.html
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