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Nature-Publikation

Neue Perspektive auf die komplexe Welt der Quantenphysik

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Das Bild zeigt die künstlerische Visualisierung der Top-Quark-Verschränkung. Die Linie zwischen den Teilchen unterstreicht die Untrennbarkeit des Top-Quark-Paares, das durch LHC-Kollisionen erzeugt und von ATLAS aufgezeichnet wird.

Die Quantenverschränkung ist eine faszinierende Eigenschaft der Quantenphysik: Wenn zwei Teilchen quantenverschränkt sind, kann ihr Zustand nur gemeinsam beschrieben werden, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Das Phänomen hat bereits in der Quantenkryptografie und -informatik Anwendung gefunden und 2022 wurde sogar der Physiknobelpreis für Experimente mit verschränkten Photonen verliehen. Jetzt ist es der ATLAS-Kollaboration am CERN in der Schweiz gelungen, zum ersten Mal eine Quantenverschränkung zwischen Top-Quarks, den schwersten bekannten Elementarteilchen, zu beobachten. Die Ergebnisse werden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellt. An der Publikation ist auch Privatdozentin Dr. Andrea Knue von der Fakultät Physik der TU Dortmund beteiligt.

 

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.

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