Fysici hebben het vreemde quantumverschijnsel verstrengeling gezien bij quarkparen die ontstaan als waterstofkernen met enorme snelheid op elkaar knallen in de LHC-deeltjesversneller.
Twee quantumdeeltjes kunnen een bijzondere band hebben, waarbij de toestand van het ene deeltje niet los gezien kan worden van die van het andere deeltje. Tot nu toe werd deze zogeheten verstrengeling vooral waargenomen in delicate experimenten in een goed gecontroleerde – meestal koude – omgeving.
Nu hebben natuurkundigen quantumverstrengeling waargenomen met de LHC-deeltjesversneller van het natuurkunde-instituut CERN in Genève, waar het er een stuk wilder aan toe gaat. Waterstofkernen worden met bijna de lichtsnelheid op elkaar geknald, waarbij ze uit elkaar spatten in een explosie van nieuwe deeltjes. Fysici hebben nu aangetoond dat in deze deeltjes-kakofonie quantumverstrengeling kan optreden tussen paren van subatomaire deeltjes: quarks. Hun resultaten verschenen in het vakblad Nature.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Innige verstrengeling
Bij quantumverstrengeling zijn deeltjes op een bijzondere en intrinsieke manier met elkaar verbonden waardoor ze eigenschappen delen. Als je bijvoorbeeld meet dat het ene deeltje rechtsom tolt, dan weet je onmiddellijk dat het andere deeltje linksom draait. Die band blijft bestaan ongeacht hoe ver ze bij elkaar vandaan zijn.
Deze quantumverstrengeling is bij verschillende deeltjes waargenomen, van lichtdeeltjes en elektronen tot minuscule mechanische trommeltjes. Maar het is een stuk lastiger aan te tonen bij quarks. Deze deeltjes vormen bouwstenen van protonen en neutronen, waar atoomkernen uit bestaan. Quarks zitten altijd aan elkaar vast. Je komt nooit een los quarkje tegen. Dat maakt het lastig om verstrengeling aan te tonen.
Daarom wendden fysici zich tot de LHC in hun zoektocht. In de deeltjesbotsingen bij de LHC ontstaan namelijk af en toe, heel kort, quarkparen die los van elkaar door de ruimte bewegen.
Brokstukdeeltjes
De onderzoekers zochten naar quantumverstrengeling tussen een topquark en zijn antimaterie-tegenhanger, het anti-topquark. Topquarks zijn de zwaarste ondeelbare subatomaire deeltjes. Dat betekent dat ze heel snel vervallen tot andere, minder zware deeltjes, vaak voordat ze de kans krijgen om te combineren met andere quarks.
Dat topquarks zo snel vervallen lijkt onhandig, maar het is juist de redding voor deze meting. Zodra quarks combineren, kun je namelijk niet meer zien of ze ooit verstrengeld waren met een ander deeltje. Ze verliezen dan de quantuminformatie die ze met hun verstrengelingspartner verbond.
Maar als een quark vervalt tot andere deeltjes, dan geeft hij die deeltjes quantumeigenschappen mee die het zelf ooit had. Door de eigenschappen van deze brokstukdeeltjes van het topquark en het anti-topquark te meten, kunnen de onderzoekers terugrekenen wat de eigenschappen van de quarks waren. Daaruit kunnen ze afleiden of de twee ooit eigenschappen deelden en dus verstrengeld waren.
De onderzoekers analyseerden met twee verschillende LHC-detectoren (ATLAS en CMS) ongeveer een miljoen waarnemingen van de brokstukken die afkomstig leken van topquark-paren. Daarmee bevestigden ze dat er ook bij topquarks sprake is van verstrengeling, zelfs bij de extreem hoge energieën en chaos van de deeltjesbotsingen in de LHC.
Verwacht
Iedereen ging ervan uit dat verstrengeling voor zou komen bij quarks. ‘De waarneming is niet onverwacht. Het zou zelfs een enorme verrassing zijn geweest om te ontdekken dat het paar niet verstrengeld was’, schrijft natuurkundige Martin Hentschinski van de Universiteit van Amerika, Puebla in Mexico, in een bijbehorend News and views-artikel in Nature. ‘Maar om verstrengeling waar te nemen bij zulke hoge energieën is een verbazingwekkende prestatie – des te meer omdat het werd gedetecteerd in een quarkpaar, de fundamentele deeltjes waaruit alle atoomkernen bestaan.’
‘Deze analyse bevestigt niet alleen onze voorspellingen, maar opent ook nieuwe wegen voor het onderzoeken van quantumverstrengeling in de hoge-energie deeltjesfysica’, zegt natuurkundige Clara Nellist, van het Nikhef in Amsterdam, die als subcoördinator betrokken was bij het onderzoek.
