Die Quantenverschränkung ist ein faszinierendes Merkmal der Quantenphysik – der Theorie des ganz Kleinen. Wenn zwei Teilchen quantenverschränkt sind, ist der Zustand des einen Teilchens an den des anderen gebunden, egal wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind. Dieses verblüffende Phänomen, für das es in der klassischen Physik keine Entsprechung gibt, wurde in einer Vielzahl von Systemen beobachtet und hat mehrere wichtige Anwendungen gefunden, z. B. in der Quantenkryptografie und der Quanteninformatik. Im Jahr 2022 wurde der Nobelpreis für Physik an Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger für bahnbrechende Experimente mit verschränkten Photonen verliehen. Diese Experimente bestätigten die Vorhersagen des verstorbenen CERN-Theoretikers John Bell zur Manifestation der Verschränkung und leisteten Pionierarbeit in der Quanteninformatik.
Die Verschränkung ist bei den hohen Energien, die an Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) zur Verfügung stehen, noch weitgehend unerforscht. In einem kürzlich im Journal Nature veröffentlichten Artikel berichtet die ATLAS Collaboration, wie ihr die erste Beobachtung der Quantenverschränkung am LHC gelang, und zwar zwischen fundamentalen Teilchen, den so genannten Top-Quarks, und bei den bisher höchsten Energien. Dieses Ergebnis, das von ATLAS im September 2023 erstmals gemeldet und durch eine erste und eine zweite Beobachtung der CMS Collaboration bestätigt wurde, eröffnet eine neue Perspektive auf die komplexe Welt der Quantenphysik.
„Während die Teilchenphysik tief in der Quantenmechanik verwurzelt ist, ist die Beobachtung der Quantenverschränkung in einem neuen Teilchensystem und bei viel höherer Energie als bisher möglich, bemerkenswert“, sagte der ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker. „Sie ebnet den Weg für neue Untersuchungen dieses faszinierenden Phänomens und bietet umfassende Möglichkeiten zur Erforschung, während unsere Datensammlungen weiter wachsen.“
Die ATLAS- und CMS-Teams haben die Quantenverschränkung zwischen einem Top-Quark und seinem Antimaterie-Gegenstück beobachtet. Die Beobachtungen beruhen auf einer kürzlich vorgeschlagenen Methode, um die am LHC erzeugten Top-Quarks-Paare als neues System zur Untersuchung der Verschränkung zu nutzen.
Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen. Normalerweise zerfällt es in andere Teilchen, bevor es Zeit hat, sich mit anderen Quarks zu verbinden, wobei es seinen Spin und andere Quanteneigenschaften auf seine Zerfallsteilchen überträgt. Physiker beobachten diese Zerfallsprodukte und nutzen sie, um auf die Spinausrichtung des Top-Quarks zu schließen.
Um die Verschränkung zwischen Top-Quarks zu beobachten, wählten die ATLAS- und CMS-Teams Paare von Top-Quarks aus Daten von Proton-Proton-Kollisionen aus, die während des zweiten Laufs des LHC zwischen 2015 und 2018 bei einer Energie von 13 Teraelektronenvolt stattfanden. Sie suchten insbesondere nach Paaren, bei denen die beiden Quarks gleichzeitig mit geringem Teilchenimpuls relativ zueinander erzeugt wurden. In diesen Fällen wird erwartet, dass die Spins der beiden Quarks stark verschränkt sind.
Die Existenz und der Grad der Spin-Verschränkung lassen sich aus dem Winkel zwischen den Richtungen ableiten, in denen die elektrisch geladenen Zerfallsprodukte der beiden Quarks emittiert werden. Durch die Messung dieser Winkelabstände und die Korrektur von experimentellen Effekten, die die gemessenen Werte verändern könnten, beobachteten die ATLAS- und CMS-Teams jeweils Spin-Verschränkung zwischen Top-Quarks mit einer statistischen Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen.
In ihrer zweiten Studie suchte die CMS Collaboration auch nach Top-Quarks-Paaren, bei denen die beiden Quarks gleichzeitig mit hohem Impuls relativ zueinander erzeugt werden. In diesem Bereich werden für einen Großteil der Top-Quark-Paare die relativen Positionen und Zeiten der beiden Top-Quark-Zerfälle so vorhergesagt, dass ein klassischer Informationsaustausch durch Teilchen, die sich nur mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, ausgeschlossen ist. CMS beobachtete auch in diesem Fall eine Spin-Verschränkung zwischen Top-Quarks.
„Mit Messungen der Verschränkung und anderer Quantenkonzepte in einem neuen Teilchensystem und in einem Energiebereich, der bisher nicht zugänglich war, können wir das Standardmodell der Teilchenphysik auf neue Weise überprüfen und nach Anzeichen für eine neue Physik suchen, die darüber hinausgehen könnte“, sagte die CMS-Sprecherin Patricia McBride.
(THK)
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