Den Forschern am CERN ist es gelungen, Quantenverschränkung zwischen „Top-Quarks“ und bei höchsten Energien zu beobachten. Dies wurde erstmals im September 2023 gemeldet und seitdem durch eine erste und zweite Beobachtung bestätigt. Die am Large Hadron Collider (LHC) erzeugten Paare von „Top-Quarks“ wurden als neues System zur Untersuchung der Verschränkung verwendet.
Die „Top-Quarks“ sind die schwersten Elementarteilchen. Sie zerfallen schnell, wobei ihr Spin auf die Zerfallsteilchen übertragen wird. Die Spinausrichtung des Top-Quarks lässt sich aus der Beobachtung der Zerfallsprodukte ableiten.
Das Forschungsteam beobachtete eine Quantenverschränkung zwischen einem „Top-Quark“ und seinem Antimaterie-Gegenstück bei einer Energie von 13 Teraelektronenvolt (1 TeV=1012 eV). Dies ist die erste Beobachtung einer Verschränkung in einem Quarkpaar (Top-Quark und Antitop-Quark) und die bisher höchste Energie bei der Beobachtung einer Verschränkung.
Die Quantenverschränkung bei hohen Energien ist noch weitgehend unerforscht. Diese Entwicklung ebnet den Weg für neue Studien.
Bei quantenverschränkten Teilchen ist der Zustand eines Teilchens von den anderen abhängig, unabhängig von der Entfernung und dem Medium, das sie trennt. Der Quantenzustand eines Teilchens kann nicht unabhängig vom Zustand der anderen in der Gruppe der verschränkten Teilchen beschrieben werden. Jede Änderung eines Teilchens beeinflusst andere. Beispielsweise sind ein Elektron- und ein Positronenpaar, die aus dem Zerfall eines Pi-Mesons stammen, verschränkt. Ihre Spins müssen sich zum Spin des Pi-Mesons addieren. Wenn wir also den Spin eines Teilchens kennen, wissen wir auch über den Spin des anderen Teilchens Bescheid.
Der Nobelpreis für Physik wurde 2022 an Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger für Experimente mit verschränkten Photonen verliehen.
Quantenverschränkung wurde in einer Vielzahl von Systemen beobachtet. Sie findet Anwendung in der Kryptographie, Metrologie, Quanteninformation und Quantenberechnung.
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Literaturverzeichnis:
- CERN. Pressemitteilung – LHC-Experimente am CERN beobachten Quantenverschränkung bei der bisher höchsten Energie. Veröffentlicht am 18. September 2024. Verfügbar unter https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet
- Die ATLAS-Kollaboration. Beobachtung der Quantenverschränkung mit Top-Quarks am ATLAS-Detektor. Nature 633, 542–547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z
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| Grundelementteilchen – Ein kurzer Blick |
| Elementarteilchen werden anhand ihres Spins in Fermionen und Bosonen eingeteilt. |
| [EIN]. FERMIONEN haben einen Spin in ungeraden halbzahligen Werten (½, 3/2, 5/2, ….). Diese sind Materieteilchen bestehend aus allen Quarks und Leptonen. – der Fermi-Dirac-Statistik folgen, – haben einen halb-ungerade-ganzzahligen Spin – unterliegen dem Pauli-Prinzip, d. h. zwei identische Fermionen können nicht denselben Quantenzustand oder dieselbe Position im Raum mit derselben Quantenzahl einnehmen. Sie können nicht beide in dieselbe Richtung rotieren, aber sie können in entgegengesetzte Richtung rotieren.  Zu den Fermionen zählen alle Quarks und Leptonen sowie alle aus einer ungeraden Anzahl dieser zusammengesetzten Teilchen. - Quarks = sechs Quarks (Up-, Down-, Strange-, Charm-, Bottom- und Top-Quarks). – Verbinden sich zu Hadronen wie Protonen und Neutronen. – Kann außerhalb von Hadronen nicht beobachtet werden. – Leptonen = Elektronen + Myonen + Tau + Neutrino + Myon-Neutrino + Tau-Neutrino. – „Elektronen“, „Up-Quarks“ und „Down-Quarks“, die drei grundlegendsten Bestandteile von allem im Universum. – Protonen und Neutronen sind keine fundamentalen Teilchen, sondern bestehen aus Up-Quarks und Down-Quarks und sind daher Kompositpartikel. Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks – ein Proton besteht aus zwei „Up“-Quarks und einem „Down“-Quark, während ein Neutron aus zwei „Down“- und einem „Up“-Quark besteht. „Up“ und „Down“ sind zwei „Aromen“ oder Varianten von Quarks. - Baryonen sind zusammengesetzte Fermionen aus drei Quarks, z. B. sind Protonen und Neutronen Baryonen - Hadronen bestehen nur aus Quarks, Baryonen sind beispielsweise Hadronen. |
| [B]. BOSONEN haben Spin in ganzzahligen Werten (0, 1, 2, 3, ….) – Bosonen folgen der Bose-Einstein-Statistik; haben einen ganzzahligen Spin. – benannt nach Satyendra Nath Bose (1894–1974), der zusammen mit Einstein die wesentlichen Ideen hinter der statistischen Thermodynamik eines Bosonengases entwickelte. – unterliegen nicht dem Pauli-Prinzip, d. h. zwei identische Bosonen können denselben Quantenzustand oder denselben Ort im Raum mit derselben Quantenzahl einnehmen. Sie können beide in die gleiche Richtung rotieren, – Elementare Bosonen sind das Photon, das Gluon, das Z-Boson, das W-Boson und das Higgs-Boson. Das Higgs-Boson hat Spin=0, während die Eichbosonen (also das Photon, das Gluon, das Z-Boson und das W-Boson) Spin=1 haben. |
| [C] Verbundpartikel – Zusammengesetzte Teilchen können je nach ihrer Zusammensetzung Bosonen oder Fermionen sein. – Alle zusammengesetzten Teilchen, die aus einer geraden Anzahl Fermionen bestehen, sind Bosonen (weil Bosonen einen ganzzahligen Spin und Fermionen einen ungeraden halbzahligen Spin haben). – Alle Mesonen sind Bosonen (weil alle Mesonen bestehen aus einer gleichen Anzahl von Quarks und Antiquarks). – Stabile Kerne mit gerader Massenzahl sind Bosonen, z. B. Deuterium, Helium-4, Kohlenstoff-12 usw. – Auch die zusammengesetzten Bosonen unterliegen nicht dem Pauli-Prinzip. – Mehrere Bosonen im gleichen Quantenzustand verschmelzen zu „Bose-Einstein-Kondensat „(BEC)“. |
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 were used as a new system to study entanglement.){kind=link}