Selbst die schwersten Teilchen erleben die übliche Quantenfremdheit, wie ein neues Experiment zeigt

Eine der überraschendsten Vorhersagen der Physik ist die Verschränkung, ein Phänomen, bei dem Objekte voneinander entfernt sein können, aber dennoch miteinander verbunden bleiben. Die bekanntesten Beispiele für Verschränkung sind 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 in Paaren von Top-Quarks entdeckt: den schwersten Teilchen, die die Wissenschaft kennt.

Die Ergebnisse werden in einem neuen Artikel von meinen Kollegen und mir in der ATLAS-Kollaboration beschrieben, der heute veröffentlicht wurde Natur.

Was ist Verschränkung?

Im Alltag betrachten wir Objekte entweder als „separat“ oder als „verbunden“. Zwei Kugeln im Abstand von einem Kilometer werden getrennt. Zwei durch ein Stück Schnur verbundene Kugeln werden miteinander verbunden.

Wenn zwei Objekte „verschränkt“ sind, gibt es 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 tut, noch bevor Sie es betrachten.

Die beiden Objekte bilden ein einziges System, auch wenn sie nichts verbindet. Dieses Phänomen wurde mit Photonen nachgewiesen, die sich auf beiden Seiten einer Stadt befinden.

Die Idee wird Fans der aktuellen Streaming-Serie „3 Body Problem“, die auf den Science-Fiction-Romanen von Liu Cixin basiert, bekannt sein. In der Serie haben Außerirdische einen winzigen Supercomputer zur Erde geschickt, um unsere Technologie zu stören und ihnen die Kommunikation mit uns zu ermöglichen. Da dieses winzige Objekt in einem Zwilling auf dem Heimatplaneten der Außerirdischen verwickelt ist, können die Außerirdischen mit ihm kommunizieren und es kontrollieren, obwohl es vier Lichtjahre entfernt ist.

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

Aber die Verstrickung selbst ist eine Realität. Es wurde erstmals in den 1980er Jahren in einem damals hochmodernen Experiment für Photonen nachgewiesen.

Heutzutage ist es möglich, ein Paket, das in der Lage ist, Paare verschränkter Photonen zu erzeugen, von einem kommerziellen Anbieter zu erwerben. Verschränkung ist eine der Eigenschaften, die in der Quantenphysik beschrieben werden, und eine der Eigenschaften, die Wissenschaftler und Ingenieure zu nutzen versuchen, um neue Technologien wie das Quantencomputing zu entwickeln.

Seit den 1980er Jahren wurden Verschränkungen auch bei Atomen, einigen subatomaren Teilchen und sogar bei winzigen Objekten beobachtet, die sehr, sehr leichten Vibrationen ausgesetzt waren. Diese Beispiele sind alle energiearm.

Neu aus Genf ist, dass Verschränkung in Teilchenpaaren namens Top-Quarks beobachtet wurde, in denen sich auf sehr kleinem Raum große Energiemengen befinden.

Was sind Quarks?

Materie besteht aus Molekülen; Moleküle bestehen aus Atomen; und ein Atom besteht aus leichten Teilchen, sogenannten Elektronen, die einen schweren Kern im Zentrum umkreisen, wie die Sonne im Zentrum des Sonnensystems. Dies wussten wir bereits durch Experimente, die um 1911 durchgeführt wurden.

Dann erfuhren wir, dass der Kern 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 vier weitere schwerere Quarks. Das fünfte Quark, das „schöne“ oder „untere“ Quark, ist etwa viereinhalb Mal schwerer als ein Proton, und als wir es entdeckten, 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 groß wie ein Proton.

Niemand weiß, warum das Top-Quark so massereich ist. Genau aus diesem Grund ist es Gegenstand eingehender Untersuchungen am Large Hadron Collider. (In Sydney, wo ich lebe, konzentrieren sich die meisten unserer Arbeiten am ATLAS-Experiment auf das Top-Quark.)

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

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

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

Wahrscheinlich nicht. Die Quantenphysik besagt, dass Verschränkung weit verbreitet ist und dass alle möglichen Dinge miteinander verschränkt sein können.

Aber die Verstrickung ist auch fragil. Viele quantenphysikalische Experimente werden bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt, um zu vermeiden, dass das System getroffen und gestört wird. Bisher wurde also die Verschränkung in Systemen nachgewiesen, in denen Wissenschaftler die richtigen Bedingungen für die Durchführung der Messungen schaffen können.

Die sehr große Masse des Top-Quarks macht es aus technischen Gründen zu einem guten Labor für die Untersuchung der Verschränkung. (Für die anderen fünf Quarkarten wäre die neue ATLAS-Messung nicht möglich gewesen.)

Aber Top-Quark-Paare werden nicht die Grundlage praktischer neuer Technologie sein: Man kann den Large Hadron Collider nicht mitnehmen und überallhin transportieren. Nichtsdestotrotz stellen Top-Quarks eine neue Art von Werkzeug für die Durchführung von Experimenten dar, und die Verschränkung ist an sich schon interessant, also werden wir weiter suchen, um zu sehen, was wir sonst noch finden.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.