Physiker bestätigen Quantenverschränkung zwischen Top-Quarks, den schwersten bekannten Elementarteilchen

Ein Experiment einer Gruppe von Physikern unter der Leitung von Regina Demina, Physikprofessorin an der University of Rochester, hat ein bedeutendes Ergebnis im Zusammenhang mit der Quantenverschränkung erbracht – ein Effekt, den Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete.

Bei der Verschränkung geht es um das koordinierte Verhalten winziger Teilchen, die miteinander interagiert haben, sich dann aber voneinander entfernt haben. Die Messung von Eigenschaften – wie Position, Impuls oder Spin – eines der getrennten Teilchenpaare verändert augenblicklich die Ergebnisse des anderen Teilchens, unabhängig davon, wie weit sich das zweite Teilchen von seinem Zwilling entfernt hat. Tatsächlich ist der Zustand eines verschränkten Teilchens oder Qubits untrennbar vom anderen.

Quantenverschränkung wurde zwischen stabilen Teilchen wie Photonen oder Elektronen beobachtet.

Doch Demina und ihre Gruppe betraten Neuland, indem sie erstmals feststellten, dass die Verschränkung zwischen instabilen Top-Quarks und ihren Antimaterie-Partnern über Distanzen bestehen bleibt, die größer sind als das, was mit Informationen überbrückt werden kann, die mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Konkret beobachteten die Forscher eine Spinkorrelation zwischen den Teilchen.

Die Teilchen zeigten also, was Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ beschrieb.

Ein „neuer Weg“ für die Quantenforschung

Die Entdeckung, die Erkenntnis, der Fund wurde gemeldet von der Compact Muon Solenoid (CMS) Collaboration am Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN), wo das Experiment durchgeführt wurde.

„Die Bestätigung der Quantenverschränkung zwischen den schwersten Elementarteilchen, den Top-Quarks, hat einen neuen Weg eröffnet, die Quantennatur unserer Welt bei Energien zu erforschen, die weit über dem Zugänglichen liegen“, heißt es in dem Bericht.

Das CERN in der Nähe von Genf in der Schweiz ist das weltweit größte Labor für Teilchenphysik. Die Produktion von Top-Quarks erfordert sehr hohe Energien, die am Large Hadron Collider (LHC) verfügbar sind. Mit diesem können Wissenschaftler hochenergetische Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer 27 Kilometer langen unterirdischen Bahn rotieren lassen.

Das Phänomen der Verschränkung ist zur Grundlage eines aufstrebenden Bereichs der Quanteninformationswissenschaft geworden, der weitreichende Auswirkungen auf Bereiche wie Kryptographie und Quantencomputing hat.

Top-Quarks, von denen jedes so schwer ist wie ein Goldatom, können nur in Kollidern wie dem LHC erzeugt werden und werden daher wahrscheinlich nicht zum Bau eines Quantencomputers verwendet. Studien wie die von Demina und ihrer Gruppe können jedoch Aufschluss darüber geben, wie lange die Verschränkung anhält, ob sie an die „Töchter“ oder Zerfallsprodukte der Teilchen weitergegeben wird und was, wenn überhaupt, die Verschränkung letztlich auflöst.

Theoretiker gehen davon aus, dass sich das Universum nach seiner anfänglichen schnellen Expansionsphase in einem verschränkten Zustand befand. Das neue Ergebnis, das Demina und ihre Forscher beobachtet haben, könnte Wissenschaftlern helfen zu verstehen, was zum Verlust der Quantenverbindung in unserer Welt geführt hat.

Top-Quarks in Quantenfernbeziehungen

Demina nahm ein Video für die sozialen Medienkanäle von CMS auf, um das Ergebnis ihrer Gruppe zu erklären. Sie verwendete die Analogie eines unentschlossenen Königs eines fernen Landes, den sie „King Top“ nannte.

King Top erfährt, dass sein Land angegriffen wird. Er schickt Boten los, um allen Menschen in seinem Land zu sagen, sie sollen sich auf die Verteidigung vorbereiten. Doch dann, so erklärt Demina im Video, ändert er seine Meinung und schickt Boten los, um den Menschen zu befehlen, sich zurückzuhalten.

„Er schwankt ständig zwischen seinen Ansichten und niemand weiß, wie seine Entscheidung im nächsten Moment ausfallen wird“, sagt Demina.

Niemand, erklärt Demina weiter, außer dem Anführer eines Dorfes in diesem Königreich, der als „Anti-Top“ bekannt ist.

„Sie wissen zu jedem Zeitpunkt, in welcher Gemütsverfassung der andere ist“, sagt Demina.

Deminas Forschungsgruppe besteht aus ihr selbst und dem Doktoranden Alan Herrera sowie dem Postdoktoranden Otto Hindrichs.

Als Doktorand war Demina Mitglied des Teams, das 1995 das Top-Quark entdeckte. Später, als Fakultätsmitglied in Rochester, leitete Demina ein Team von Wissenschaftlern aus den gesamten USA, das ein Ortungsgerät baute, das eine Schlüsselrolle spielte bei die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012– ein Elementarteilchen, das hilft, den Ursprung der Masse im Universum zu erklären.

Forscher aus Rochester sind seit langem Teil der CMS-Kollaboration am CERN, die Physiker aus aller Welt zusammenbringt. Vor kurzem erreichte ein anderes Team aus Rochester einen wichtigen Meilenstein bei der Messung des elektroschwachen Mischungswinkels, einer entscheidenden Komponente des Standardmodells der Teilchenphysik, das erklärt, wie die Bausteine ​​der Materie interagieren.