Neue Perspektive auf die komplexe Welt der Quantenphysik
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Am Forschungszentrum CERN in Genf untersuchen internationale Wissenschaftler*innen unter anderem die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Elementarteilchen, um bisher offene Fragen der Physik zu lösen. Am mächtigsten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC), werden Protonen beschleunigt und zur Kollision gebracht. Dabei entstehen Milliarden von Elementarteilchen, deren Spuren und Zerfall große Detektoren aufzeichnen. Ein solcher Detektor ist das ATLAS-Experiment, an dem vonseiten der TU Dortmund auch das Team von Prof. Kevin Kröninger beteiligt ist.
Bislang war die Quantenverschränkung bei den hohen Energien, die am LHC zur Verfügung stehen, noch weitgehend unerforscht. Mit ihren aktuellen Messungen leistet die ATLAS-Kollaboration nun einen wichtigen Beitrag zum weiteren Verständnis des Phänomens: Die Forscher*innen konnten erstmals die Quantenverschränkung zwischen einem Top-Quark und seinem Antimaterie-Gegenstück beobachten. Die Top-Quarks stellen Wissenschaftler*innen regelmäßig vor Herausforderungen, denn normalerweise zerfällt ein Top-Quark in andere Teilchen, bevor es Zeit hat, sich mit anderen Quarks zu verbinden. Physiker*innen beobachten daher diese Zerfallsprodukte und nutzen sie, um auf die Quanteneigenschaften des Top-Quarks zu schließen. Um die Verschränkung zwischen Top-Quarks zu beobachten, nutzte das ATLAS-Team Daten von Proton-Proton-Kollisionen, die am LHC zwischen 2015 und 2018 bei einer Energie von 13 Teraelektronenvolt stattfanden.
An dieser Messung hat auch Dr. Andrea Knue von der TU Dortmund mitgewirkt. Sie ist Mitglied der Arbeitsgruppe von Prof. Kevin Kröninger und leitet seit zwei Jahren außerdem die Top-Quark-Forschungsgruppe des ATLAS-Experiments, in der rund 300 Wissenschaftler*innen aus aller Welt zusammenarbeiten. In ihrer Forschung untersucht Dr. Knue Top-Quark-Eigenschaften und ihre Arbeiten haben dazu beigetragen, das Verständnis der sogenannten Signal-Modellierung zu verbessern, die großen Einfluss auf die Präzision der jetzt in Nature vorgestellten Messung hatte. Die aktuellen Erkenntnisse zur Quantenverschränkung von Top-Quarks wurden seither durch zwei weitere Beobachtungen von Wissenschaftler*innen am CMS-Detektor am CERN bestätigt.