Het ATLAS-experiment op CERN heeft voor het eerst de spookachtige directe verbindingen gemeten, die volgens de quantumtheorie kunnen bestaan tussen deeltjes op grote afstanden.
Fysici van ondermeer Nikhef bekeken het gedrag van paren top-quarks die ontstaan bij protonbotsingen in de LHC-versneller op CERN. Het bestaan van quantumverstrengeling (entanglement) is eerder al in tal van proeven aangetoond. Maar nog nooit bij de extreem hoge energie van de versneller in Genève, waar deeltjes relativistische snelheden hebben.
“Een heel moeilijke, maar ook belangrijke analyse waar ik erg op heb aangedrongen”, zegt Pamela Ferrari van Nikhef en fysica-coördinator van ATLAS. Bij de review van de nu gepubliceerde analyse speelde Nikhef-onderzoeker Clara Nellist (UvA) een vooraanstaande rol.
Verbanden op afstand zijn een raadselachtig element van de quantumtheorie. Quantumverbinding ontstaat doordat een systeem met bepaalde quantumeigenschappen zoals spin gesplitst raakt. Spin, een soort van inwendige rotatie van een deeltje, is een quantumgetal.
De totale spin wordt bij de splitsing van een quantumsysteem verdeeld over de delen, maar volgens de quantumtheorie zonder dat vaststaat hoe precies. Pas als de spintoestand van het ene deel wordt gemeten, staat onmiddellijk ook de toestand van het andere deel vast, hoe groot de onderlinge afstand ook is.
Einstein noemde het effect “spookachtige verbinding op afstand”, en betwijfelde of die realistisch kon zijn omdat deeltjes niet sneller dan de lichtsnelheid met elkaar kunnen communiceren.
Maar quantumverbinding bestaat werkelijk. Experimenten die dit aantoonden kregen in 2022 een Nobelprijs voor natuurkunde. De bekroonde proeven werden gedaan met fotonen, lichtdeeltjes. In Nederland doet de TU Delft zulke proeven over een afstand van een kilometer.
In de LHC-experimenten is de energie biljoenen keren hoger dan in de eerdere experimenten. In meetgegevens van 2015-2018 zochten de fysici naar botsingen waarbij paren top-quarks vrijkomen. Dat gebeurt hoogst zelden, omdat top-quarks extreem zwaar zijn.
Door hun hoge massa zijn top-quarks ook extreem instabiel: ze vervallen vrijwel direct naar verzamelingen lichtere deeltjes. Bij de ATLAS-metingen werd gekeken naar de ruimtelijke verdeling van die deeltjes, die uit beide top-quarks voortkomen. Die is met quantumverbinding anders dan zonder.
De ATLAS-metingen laten overduidelijk een verbinding tussen de sporen van de vervallende top-quarks zien, zo blijkt uit de presentatie vorige week op de TOP23-conferentie. Statistisch is het resultaat meer dan 5 sigma in het voordeel van entanglement. In de natuurkunde is dat voldoende om van een hard bewijs te spreken.
ATLAS zegt in een persbericht dat de metingen niet alleen fundamenteel interessant zijn, maar ook dat de LHC-versneller dus ook een laboratorium biedt voor studies van quantuminformatie.
