Selbst bei den schwersten Teilchen treten die üblichen Quantenprobleme auf, wie ein neues Experiment zeigt

Eine der überraschendsten Vorhersagen der Physik ist die Verschränkung, ein Phänomen, bei dem Objekte zwar weit voneinander entfernt sein können, aber dennoch miteinander verbunden sind. Die bekanntesten Beispiele für Verschränkung betreffen winzige Lichtteilchen (Photonen) und niedrige Energien.

Am Large Hadron Collider in Genf, dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, hat ein Experiment namens ATLAS gerade die Verschränkung von Top-Quark-Paaren entdeckt: den schwersten Teilchen, die der Wissenschaft bekannt sind.

Die Ergebnisse sind beschrieben in ein neues Papier von meinen Kollegen und mir in der ATLAS-Kollaboration, heute veröffentlicht in Natur.

Was ist Verschränkung?

Im Alltag denken wir, dass Objekte entweder „getrennt“ oder „verbunden“ sind. Zwei Bälle, die einen Kilometer voneinander entfernt sind, sind getrennt. Zwei Bälle, die durch ein Stück Schnur zusammengehalten werden, sind verbunden.

Wenn zwei Objekte „verschränkt“ sind, besteht keine physische Verbindung zwischen ihnen – aber sie sind auch nicht wirklich getrennt. Sie können das erste Objekt messen, und das reicht aus, um zu wissen, was das zweite Objekt tut, noch bevor Sie es betrachten.

Die beiden Objekte bilden ein einziges System, obwohl sie nicht miteinander verbunden sind. Dies funktioniert nachweislich mit Photonen an gegenüberliegenden Enden einer Stadt.

Fans der kürzlich erschienenen Streaming-Serie Drei Sonnen, die auf den Science-Fiction-Romanen von Liu Cixin basiert, dürfte die Idee bekannt vorkommen. In der Serie haben Außerirdische einen winzigen Supercomputer zur Erde geschickt, um unsere Technologie zu manipulieren und es ihnen zu ermöglichen, mit uns zu kommunizieren. Da dieses winzige Objekt mit einem Zwilling auf der Heimatwelt der Außerirdischen verschränkt ist, können die Außerirdischen mit ihm kommunizieren und ihn steuern – obwohl er vier Lichtjahre entfernt ist.

Dieser Teil der Geschichte ist Science-Fiction: Verschränkung ermöglicht es nicht wirklich, Signale schneller als Licht zu senden. (Es scheint, als ob Verschränkung dies ermöglichen sollte, aber laut Quantenphysik ist dies nicht möglich. Bisher stimmen alle unsere Experimente mit dieser Vorhersage überein.)

Aber die Verschränkung selbst ist real. Sie war erstmals in den 1980er Jahren für Photonen demonstriertim damaligen ein bahnbrechendes Experiment.

Heute kann man bei kommerziellen Anbietern eine Box kaufen, die verschränkte Photonenpaare ausspuckt. Verschränkung ist eine der Eigenschaften der Quantenphysik und eine der Eigenschaften, die Wissenschaftler und Ingenieure zu nutzen versuchen, um neue Technologien wie Quantencomputer zu entwickeln.

Seit den 1980er Jahren konnte Verschränkung auch bei Atomen, einigen subatomaren Teilchen und sogar bei winzigen Objekten beobachtet werden, die sehr, sehr leichten Schwingungen ausgesetzt sind. Diese Beispiele liegen alle bei niedrigen Energien.

Die neue Entwicklung aus Genf besteht darin, dass Verschränkungen bei Teilchenpaaren, sogenannten Top-Quarks, beobachtet wurden, bei denen große Energiemengen auf sehr kleinem Raum vorhanden sind.

Was sind also Quarks?

Materie besteht aus Molekülen; Moleküle bestehen aus Atomen; und ein Atom besteht aus leichten Teilchen, den sogenannten Elektronen, die einen schweren Kern im Zentrum umkreisen, so wie die Sonne im Zentrum des Sonnensystems. Das wussten wir bereits aus Experimenten um das Jahr 1911.

Dann erfuhren wir, dass der Atomkern aus Protonen und Neutronen besteht, und in den 1970er Jahren entdeckten wir, dass Protonen und Neutronen aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen.

Insgesamt gibt es sechs Arten von Quarks: die „Up“- und „Down“-Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, und dann noch vier schwerere. Das fünfte Quark, das „Beauty“- oder „Bottom“-Quark, ist etwa viereinhalb Mal schwerer als ein Proton, und als wir es fanden, dachten wir, es sei sehr schwer. Aber das sechste und letzte Quark, das „Top“-Quark, ist ein Monster: etwas schwerer als ein Wolframatom und 184 Mal so schwer wie ein Proton.

Niemand weiß, warum das Top-Quark so massiv ist. Genau aus diesem Grund ist das Top-Quark am Large Hadron Collider Gegenstand intensiver Studien. (In Sydney, wo ich arbeite, konzentriert sich der Großteil unserer Arbeit am ATLAS-Experiment auf das Top-Quark.)

Wir glauben, dass die sehr große Masse ein Hinweis sein könnte. Vielleicht ist das Top-Quark deshalb so massiv, weil es neue Kräfte spürt, die über die vier Kräfte hinausgehen, die wir bereits kennen. Oder vielleicht hat es eine andere Verbindung zur „neuen Physik“.

Wir wissen, dass die Gesetze der Physik, so wie wir sie heute verstehen, unvollständig sind. Die Untersuchung des Verhaltens des Top-Quarks könnte uns den Weg zu etwas Neuem weisen.

Bedeutet Verschränkung also, dass Top-Quarks etwas Besonderes sind?

Wahrscheinlich nicht. Die Quantenphysik besagt, dass Verschränkung häufig vorkommt und dass alle möglichen Dinge miteinander verschränkt sein können.

Aber Verschränkung ist auch fragil. Viele Experimente in der Quantenphysik werden bei extrem kalten Temperaturen durchgeführt, um ein „Anstoßen“ und Stören des Systems zu vermeiden. Bislang konnte Verschränkung daher nur in Systemen nachgewiesen werden, in denen Wissenschaftler die richtigen Bedingungen für die Messungen schaffen konnten.

Aufgrund seiner sehr großen Masse eignet sich das Top-Quark aus technischen Gründen gut als Labor für die Untersuchung von Verschränkungen. (Die neue ATLAS-Messung wäre für die anderen fünf Quark-Typen nicht möglich gewesen.)

Top-Quark-Paare werden jedoch nicht die Grundlage einer praktischen neuen Technologie sein: Man kann den Large Hadron Collider nicht einfach so mit sich herumtragen. Dennoch bieten Top-Quarks ein neues Werkzeug für Experimente, und Verschränkung ist an sich schon interessant, also werden wir weiter Ausschau halten, was wir sonst noch finden.

Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lesen Sie die Originalartikel.