Physiker bestätigen, dass zwischen Top-Quarks, den schwersten bekannten Elementarteilchen, weiterhin eine Quantenverschränkung besteht

Ein Experiment einer Gruppe von Physikern unter der Leitung von Regina Demina, einer Physikprofessorin an der Universität Rochester, erbrachte ein bedeutendes Ergebnis im Zusammenhang mit der Quantenverschränkung, einem Effekt, den Albert Einstein „gruselige Fernwirkung“ nannte.

Bei der Verschränkung handelt es sich um das koordinierte Verhalten winziger Teilchen, die miteinander interagiert, sich dann aber getrennt haben. Die Messung der Eigenschaften (z. B. Position, Impuls oder Spin) eines der getrennten Teilchenpaare ändert sofort die Ergebnisse des anderen Teilchens, unabhängig davon, wie weit sich das zweite Teilchen von seinem Zwilling entfernt. Tatsächlich ist der Zustand eines verschränkten Teilchens oder Qubits untrennbar mit dem anderen verbunden.

Zwischen stabilen Teilchen wie Photonen oder Elektronen wurde eine Quantenverschränkung beobachtet.

Doch Demina und ihre Gruppe betraten Neuland, indem sie zum ersten Mal entdeckten, dass die Verschränkung zwischen instabilen Top-Quarks und ihren Antimaterie-Partnern auch bei größeren Entfernungen besteht, als die mit Lichtgeschwindigkeit übertragenen Informationen zurücklegen könnten. Konkret beobachteten die Forscher eine Spinkorrelation zwischen den Teilchen.

Daher zeigten die Teilchen das, was Einstein als „unheimliche Fernwirkung“ bezeichnete.

Ein „neuer Weg“ für die Quantenforschung

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

„Die Bestätigung der Quantenverschränkung zwischen den schwersten fundamentalen Teilchen, den Top-Quarks, hat einen neuen Weg zur Erforschung der Quantennatur unserer Welt bei Energien eröffnet, die weit über dem zugänglichen Bereich liegen“, heißt es in dem Bericht.

Das CERN liegt in der Nähe von Genf in der Schweiz und ist das größte Teilchenphysiklabor der Welt. Die Herstellung von Top-Quarks erfordert sehr hohe Energien, die am Large Hadron Collider (LHC) zugänglich sind. Dadurch können Wissenschaftler hochenergetische Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer 17 Meilen langen unterirdischen Bahn herumwirbeln 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, jedes so schwer wie ein Goldatom, können nur in Collidern wie dem LHC hergestellt werden und werden daher wahrscheinlich nicht zum Bau eines Quantencomputers verwendet. Aber Studien wie die von Demina und ihrer Gruppe können Aufschluss darüber geben, wie lange die Verschränkung anhält, ob sie an Teilchen-„Töchter“ oder Zerfallsprodukte weitergegeben wird und was, wenn überhaupt, dazu führt, dass die Verschränkung aufgehoben wird.

Theoretiker gehen davon aus, dass sich das Universum nach seiner anfänglichen Phase der schnellen Expansion in einem verschlungenen Zustand befand. Das von Demina und ihren Forschern beobachtete neue Ergebnis könnte Wissenschaftlern helfen zu verstehen, was zum Verlust der Quantenverbindung in unserer Welt geführt hat.

Top-Quarks in weitreichenden Quantenbeziehungen

Demina hat ein Video für die sozialen Medien von CMS aufgenommen, um das Ergebnis ihrer Gruppe zu erklären. Sie verwendete den Vergleich eines unentschlossenen Königs aus einem fernen Land, den sie „König Top“ nannte.

König Top erfährt, dass sein Land angegriffen wird, also schickt er Boten, um alle in seinem Land aufzufordern, sich auf die Verteidigung vorzubereiten. Doch dann, erklärt Demina im Video, änderte er seine Meinung und schickte Boten, um den Menschen den Rückzug zu befehlen.

„Er schwankt immer wieder so, und niemand weiß, wie er im nächsten Moment entscheiden wird“, sagt Demina.

Niemand, fährt Demina fort, außer dem Anführer eines Dorfes in diesem Königreich, bekannt als „Anti-Top“.

„Sie kennen jederzeit den Geisteszustand jedes Einzelnen“, sagt Demina.

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

Als Doktorandin war Demina Teil des Teams, das 1995 das Top-Quark entdeckte. Später, als Fakultätsmitglied in Rochester, leitete Demina gemeinsam ein Team von Wissenschaftlern aus den gesamten Vereinigten Staaten, das ein Ortungsgerät baute, das eine Schlüsselrolle spielte Rolle bei der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, eines Elementarteilchens, das zur Erklärung des Ursprungs der Masse im Universum beiträgt.

Rochester-Forscher arbeiten seit langem am CERN im Rahmen der CMS-Kollaboration, die Physiker aus der ganzen Welt zusammenbringt. Kürzlich hat ein anderes Rochester-Team einen wichtigen Schritt bei der Messung des elektroschwachen Mischungswinkels unternommen, einem entscheidenden Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, das erklärt, wie die Bausteine ​​der Materie interagieren.