Atlas ziet Einsteins kwantumspook bij hoge energie

Het Atlas-experiment op Cern heeft voor het eerst de spookachtige directe verbindingen gemeten die volgens de kwantumtheorie kunnen bestaan tussen deeltjes op grote afstanden.

Fysici bekeken op dat moment het gedrag van paren top-quarks die ontstaan bij protonbotsingen in de LHC-versneller. Het bestaan van kwantumverstrengeling (entanglement) is eerder al in tal van proeven aangetoond. Maar nog nooit bij de extreem hoge energie van de versneller in Genève, waar deeltjes relativistische snelheden hebben.

“Een heel moeilijke, maar ook belangrijke analyse waar ik erg op heb aangedrongen”, zegt fysica-coördinator Pamela Ferrari.

Bij de review van de analyse speelde Nikhef-onderzoeker Clara Nellist (UvA) een vooraanstaande rol.

Verbanden op afstand zijn een raadselachtig element van de kwantumtheorie. Kwantumverbinding ontstaat doordat een systeem met bepaalde kwantumeigenschappen zoals spin gesplitst raakt. De totale spin wordt bij de splitsing van een kwantumsysteem verdeeld over de delen, maar volgens de kwantumtheorie zonder dat vaststaat hoe precies. Pas als de spintoestand van het ene deel wordt gemeten, staat onmiddellijk ook de toestand van het andere deel vast, hoe groot de onderlinge afstand ook is.

Einstein noemde het effect “spookachtige verbinding op afstand”, en betwijfelde of die realistisch kon zijn omdat deeltjes niet sneller dan de lichtsnelheid met elkaar kunnen communiceren.

Maar kwantumverbinding bestaat werkelijk. Experimenten die dit aantoonden kregen in 2022 een Nobelprijs voor natuurkunde. De bekroonde proeven werden gedaan met fotonen, lichtdeeltjes. In Nederland doet de TU Delft zulke proeven over een afstand van een kilometer.

In de LHC-experimenten is de energie biljoenen keren hoger dan in de eerdere experimenten. In meetgegevens van 2015-2018 zochten de fysici naar botsingen waarbij paren top-quarks vrijkomen. Dat gebeurt hoogst zelden, omdat top-quarks extreem zwaar zijn.

Door hun hoge massa zijn top-quarks ook extreem instabiel: ze vervallen vrijwel direct naar verzamelingen lichtere deeltjes. Bij de Atlas-metingen werd gekeken naar de ruimtelijke verdeling van die deeltjes, die uit beide top-quarks voortkomen. Die is met kwantumverbinding anders dan zonder.

Overduidelijk

De Atlas-metingen laten volgens de betrokkenen overduidelijk een verbinding tussen de sporen van de vervallende top-quarks zien. “Statistisch is het resultaat meer dan 5 sigma in het voordeel van entanglement. In de natuurkunde is dat voldoende om van een hard bewijs te spreken.”