De resultaten openen een nieuw perspectief op de complexe wereld van de quantumfysica
Quantumverstrengeling is een fascinerende eigenschap van de quantumfysica – de theorie van de zeer kleine deeltjes. Als twee deeltjes quantumverstrengeld zijn, is de toestand van het ene deeltje verbonden met die van het andere, hoe ver de deeltjes ook uit elkaar zijn. Dit verbijsterende fenomeen, dat geen analogie heeft in de klassieke natuurkunde, is waargenomen in een grote verscheidenheid aan systemen en heeft verschillende belangrijke toepassingen gevonden, zoals quantumcryptografie en quantumcomputing. In 2022 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend aan Alain Aspect, John F. Clauser en Anton Zeilinger voor baanbrekende experimenten met verstrengelde fotonen. Deze experimenten bevestigden de voorspellingen voor de manifestatie van verstrengeling van wijlen CERN-theoreticus John Bell en waren pionieren in de quantuminformatiewetenschap.
Verstrengeling is grotendeels onontdekt gebleven bij de hoge energieën die toegankelijk zijn bij deeltjesbotsers zoals de Large Hadron Collider (LHC). In een artikel dat vandaag in Nature is gepubliceerd, rapporteert de ATLAS-samenwerking hoe het is gelukt om voor het eerst quantumverstrengeling waar te nemen bij de LHC, tussen fundamentele deeltjes die topquarks worden genoemd en bij de hoogste energie tot nu toe. Dit resultaat, dat voor het eerst werd gerapporteerd door ATLAS in september 2023 en sindsdien is bevestigd door twee waarnemingen van de CMS-samenwerking, heeft een nieuw perspectief geopend op de complexe wereld van de quantumfysica.
“Hoewel deeltjesfysica diep geworteld is in de quantummechanica, is de waarneming van quantumverstrengeling in een nieuw deeltjesstelsel en bij een veel hogere energie dan eerder mogelijk was, opmerkelijk,” zegt ATLAS-woordvoerder Andreas Hoecker. “Het maakt de weg vrij voor nieuw onderzoek naar dit fascinerende fenomeen en opent een rijk menu voor onderzoek naarmate onze datamonsters blijven groeien.”
De ATLAS en CMS teams namen quantumverstrengeling waar tussen een topquark en zijn antimaterie tegenhanger. De waarnemingen zijn gebaseerd op een onlangs voorgestelde methode om paren topquarks die bij de LHC worden geproduceerd te gebruiken als een nieuw systeem om verstrengeling te bestuderen.
De top-quark is het zwaarste bekende fundamentele deeltje. Het vervalt normaal gesproken in andere deeltjes voordat het de tijd heeft om te combineren met andere quarks, waarbij het zijn spin en andere quantumeigenschappen overdraagt aan zijn vervaldeeltjes. Natuurkundigen observeren en gebruiken deze vervalproducten om de spinrichting van het top-quark af te leiden.
Om verstrengeling tussen topquarks waar te nemen, selecteerden de ATLAS- en CMS-samenwerkingen paren van topquarks uit gegevens van proton-protonbotsingen die plaatsvonden bij een energie van 13 teraelektronvolt tijdens de tweede run van de LHC, tussen 2015 en 2018. Ze zochten met name naar paren waarin de twee quarks tegelijkertijd worden geproduceerd met een laag deeltjesmoment ten opzichte van elkaar. In dit geval wordt verwacht dat de spins van de twee quarks sterk verstrengeld zijn.
Het bestaan en de mate van spinverstrengeling kan worden afgeleid uit de hoek tussen de richtingen waarin de elektrisch geladen vervalproducten van de twee quarks worden uitgezonden. Door deze hoekscheidingen te meten en te corrigeren voor experimentele effecten die de gemeten waarden zouden kunnen veranderen, hebben de ATLAS en CMS teams beide spinverstrengeling tussen topquarks waargenomen met een statistische significantie groter dan vijf standaarddeviaties.
In zijn tweede onderzoek zocht de CMS-samenwerking ook naar paren van topquarks waarbij de twee quarks tegelijkertijd met een hoog momentum ten opzichte van elkaar worden geproduceerd. In dit domein wordt voor een groot deel van de topquarkparen voorspeld dat de relatieve posities en tijden van de twee topquarkvervallen zodanig zijn dat klassieke uitwisseling van informatie door deeltjes die met niet meer dan de lichtsnelheid reizen uitgesloten is, en CMS nam ook in dit geval spinverstrengeling tussen topquarks waar.
“Met metingen van verstrengeling en andere quantumconcepten in een nieuw deeltjesstelsel en bij een energiebereik dat verder gaat dan wat eerder toegankelijk was, kunnen we het Standaardmodel van de deeltjesfysica op nieuwe manieren testen en op zoek gaan naar tekenen van nieuwe fysica die mogelijk verder gaat,” zegt CMS-woordvoerder Patricia McBride.
Nikhef-onderzoeker Clara Nellist was als subcoördinator betrokken bij het gehele goedkeuringsproces. Nellist: “Het was inspirerend om met het analyseteam samen te werken aan deze meting en getuige te zijn van de immense inspanning die gepaard ging met deze eerste waarneming. Hoewel we verwachtten dat topquarks verstrengeld zouden zijn, hadden we deze quantumeigenschappen nog niet eerder getest bij zulke hoge energieën, en deze analyse bevestigt niet alleen onze voorspellingen, maar opent ook nieuwe wegen voor het onderzoeken van quantumverstrengeling in de hoge-energie deeltjesfysica. Het benadrukt de rol van de LHC als een vitaal laboratorium voor het verdiepen van ons begrip van de quantumwereld!”
Bron: CERN (Engelstalig persbericht)
Nature-artikel: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07824-z
Figuur onderschrift: Artist’s impression van een quantumverstrengeld paar topquarks. (Afbeelding: CERN)
https://cds.cern.ch/record/2873596?ln=en
