- Am Large Hadron Collider wurde erstmals Quantenverschränkung bei Z-Bosonen beobachtet.
- Z-Bosonen besitzen drei Spin-Zustände, die als Qutrits bezeichnet werden.
- Die Forscher nutzten die Zerfallsprozesse der Z-Bosonen, um deren Spin zu bestimmen.
- Die Daten zeigen eine statistische Signifikanz des verschränkten Zustands nahe der von Wissenschaftlern bevorzugten Fünf.
Wissenschaftler des Large Hadron Collider (LHC) haben erstmals bei Z-Bosonen das rätselhafte Phänomen der Quantenverschränkung beobachtet. Zwar wurde Quantenverschränkung bei am LHC erzeugten Teilchen bereits zuvor festgestellt, doch die diesmal beteiligten Teilchen unterscheiden sich – und besitzen zudem ein virtuelles Gegenstück. Quantenverschränkung ist ein in der Quantenphysik beobachtetes Phänomen, das selbst den großen Albert Einstein verblüffte. Wenn die Eigenschaften zweier Teilchen so eng miteinander verknüpft sind, dass der Zustand des einen vom Zustand des anderen abhängt, spricht man davon, dass diese beiden Teilchen quantenverschränkt sind.
Dieses Phänomen besteht selbst dann, wenn die beiden Teilchen weit voneinander entfernt sind, weshalb Einstein dieses Verhalten als „spukhaft" bezeichnete. Obwohl wir es nicht vollständig verstehen, haben wir es bereits genutzt, um Technologien wie Quantencomputing und Quantenkommunikation zu entwickeln. Diese Technologien befinden sich vielleicht noch in den Kinderschuhen, versprechen jedoch ein grundlegend anderes Morgen als das heutige. Dass das Wissen der Wissenschaftler am CERN über dieses Verhalten noch unvollständig ist, zeigt sich an der Tatsache, dass dort weiterhin neue Phänomene entdeckt werden.
Die Besonderheit des Z-Bosons
Quantenverschränkung bei Z-Bosonen wurde zwar erstmals 2024 vom ATLAS-Experiment am CERN nachgewiesen, als ein verschränktes Paar von am LHC erzeugten Top-Quarks entdeckt wurde. Die nunmehr bei Z-Bosonen festgestellte Verschränkung unterscheidet sich jedoch leicht, da Z-Bosonen über drei Spin-Zustände, sogenannte Qutrits, verfügen. Z-Bosonen entstehen kurzzeitig, wenn Higgs-Bosonen in einem weiteren Zerfallsprozess zerfallen. Da das Higgs-Boson selbst jedoch keinen Spin besitzt, können die beiden beim Zerfall entstehenden Z-Bosonen keine ungeradzahlige Kombination von Spins aufweisen.
Ihre Spins heben sich gegenseitig auf, sodass das Higgs-Boson den Spin null besitzt. Dies ist höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die beiden Z-Bosonen einen gemeinsamen Zustand teilen, der dies ermöglicht. Allerdings gibt es bei ihrer Entstehung ein wesentliches Problem: Das Higgs-Boson hat eine Masse von 125 GeV, das Z-Boson hingegen von 91 GeV. Dadurch kann das Higgs-Boson nicht zwei reale Z-Bosonen gleichzeitig erzeugen – die einzige Möglichkeit ist, dass eines davon virtuell ist.
Auch wenn Quantenphysiker häufig mit rätselhaftem Teilchenverhalten umgehen, bleiben virtuelle Teilchen für sie ein eigenartiges Phänomen. Diese Teilchen treten bei Teilchenkollisionen auf, lassen sich jedoch nicht wie andere Teilchen beobachten. Die Frage ist daher, ob diese virtuellen Teilchen an Verschränkung teilnehmen können. Dies wissenschaftlich zu bestätigen, ist noch anspruchsvoller, da die Lebensdauer eines Z-Bosons selbst bei 3 × 10-25 Sekunden liegt. Selbst bei einem realen Boson ist die Messung seines Spins daher nahezu unmöglich. Wie aber können Wissenschaftler den Spin seines virtuellen Gegenstücks feststellen?
Forschungsmethoden und Herausforderungen
Die Forscher wandten sich den Spuren zu, die beim Zerfall der Z-Bosonen verfügbar sind. Jedes Z-Boson zerfällt in zwei geladene Teilchen, bei denen es sich um Leptonen oder Myonen handeln kann, wodurch potenziell vier nachweisbare Teilchen entstehen. Die Bewegungsrichtungen dieser Teilchen liefern den Wissenschaftlern Informationen, die genutzt werden können, um rückwärts auf den Spin der sie erzeugenden Bosonen zu schließen. Obwohl dies einfach klingt, hatte das Forschungsteam am CERN Schwierigkeiten, ausreichend Daten für seine Untersuchung zu finden. Selbst nach der Sichtung jahrelanger Daten von Teilchenkollisionen konnten nur 400 Ereignisse gefunden werden, bei denen ein Z-Boson in vier Leptonen zerfiel.
Die Daten zeigen, dass der verschränkte Zustand gegenüber dem nicht verschränkten Zustand bevorzugt ist, mit einer statistischen Signifikanz von 4,7 – nahe der Fünf, die Wissenschaftler vor weitreichenden Aussagen bevorzugen. Weitere Forschung in diesem Bereich ist nötig, und die Erforschung virtueller Teilchen und ihres Verhaltens hält noch viele Entdeckungen bereit.
Die Ergebnisse wurden in den Physical Review Letters veröffentlicht.
Die wissenschaftliche Bedeutung der Quantenverschränkung bei Z-Bosonen
Die Beobachtung der Quantenverschränkung bei Z-Bosonen markiert einen wichtigen Fortschritt in der Teilchenphysik. Sie vertieft nicht nur unser Verständnis der Quantenverschränkung, sondern könnte auch die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkommunikationstechnologien vorantreiben. Obwohl Wissenschaftler über das Verhalten virtueller Teilchen noch vieles nicht wissen, eröffnet diese Forschung neue Wege für künftige Erkundungen. Das Anwendungspotenzial der Quantenverschränkung ist enorm und könnte unsere technologische Landschaft verändern – insbesondere im Hinblick auf Informationsübertragung und Rechenleistung.