De onderzoekers van CERN zijn erin geslaagd om kwantumverstrengeling tussen "topquarks" en bij de hoogste energieën te observeren. Dit werd voor het eerst gerapporteerd in september 2023 en sindsdien bevestigd door een eerste en tweede observatie. De paren "topquarks" geproduceerd bij de Large Hadron Collider (LHC) werden gebruikt als een nieuw systeem om verstrengeling te bestuderen.
De "top quarks" zijn de zwaarste fundamentele deeltjes. Ze vervallen snel en dragen hun spin over aan hun vervaldeeltjes. De spinoriëntatie van de top quark wordt afgeleid uit de observatie van vervalproducten.
Het onderzoeksteam observeerde kwantumverstrengeling tussen een ‘topquark’ en zijn antimaterie-tegenhanger bij een energie van 13 tera-elektronvolt (1 TeV=1012 eV). Dit is de eerste observatie van verstrengeling in een quarkpaar (topquark en antitopquark) en de observatie van verstrengeling met de hoogste energie tot nu toe.
Quantumverstrengeling bij hoge energieën is grotendeels onontgonnen gebleven. Deze ontwikkeling baant de weg voor nieuwe studies.
In kwantumverstrengelde deeltjes is de toestand van één deeltje afhankelijk van anderen, ongeacht de afstand en het medium dat hen scheidt. De kwantumtoestand van één deeltje kan niet onafhankelijk van de toestand van de anderen in de groep van verstrengelde deeltjes worden beschreven. Elke verandering in één deeltje beïnvloedt anderen. Bijvoorbeeld, een elektron en positron paar afkomstig van het verval van een pi meson zijn verstrengeld. Hun spins moeten optellen tot de spin van het pi meson, dus door de spin van één deeltje te kennen, weten we over de spin van het andere deeltje.
In 2022 werd de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend aan Alain Aspect, John F. Clauser en Anton Zeilinger voor experimenten met verstrengelde fotonen.
Quantumverstrengeling is waargenomen in een breed scala aan systemen. Het heeft toepassingen gevonden in cryptografie, metrologie, quantuminformatie en quantumberekening.
***
Referenties:
- CERN. Persbericht – LHC-experimenten bij CERN observeren kwantumverstrengeling op de hoogste energie tot nu toe. Gepubliceerd op 18 september 2024. Beschikbaar op https://home.cern/news/press-release/physics/lhc-experiments-cern-observe-quantum-entanglement-highest-energy-yet
- De ATLAS Collaboration. Observatie van kwantumverstrengeling met topquarks bij de ATLAS-detector. Nature 633, 542–547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07824-z
***
| FUNDAMENTELE DEELTJES – Een snelle blik |
| Fundamentele deeltjes worden op basis van spin ingedeeld in fermionen en bosonen. |
| [EEN]. FERMIONEN hebben een spin in oneven halve gehele getallen (½, 3/2, 5/2, ….). Dit zijn materie deeltjes bestaande uit alle quarks en leptonen. – volg de Fermi-Dirac-statistieken, – een half-oneven-geheel getal spin hebben – gehoorzamen aan het Pauli-uitsluitingsprincipe, d.w.z. twee identieke fermionen kunnen niet dezelfde kwantumtoestand of dezelfde locatie in de ruimte bezetten met hetzelfde kwantumgetal. Ze kunnen niet allebei in dezelfde richting draaien, maar ze kunnen wel in tegengestelde richting draaien  Tot de fermionen behoren alle quarks en leptonen, en alle samengestelde deeltjes die uit een oneven aantal van deze deeltjes bestaan. - Quark = zes quarks (up, down, strange, charm, bottom en top quarks). – Combineren om hadronen te vormen, zoals protonen en neutronen. – Kan niet buiten hadronen worden waargenomen. – Leptonen = elektronen + muonen + tau + neutrino + muon-neutrino + tau-neutrino. – 'Elektronen', 'up-quarks' en 'down-quarks' zijn de drie meest fundamentele bestanddelen van alles in het heelal. – Protonen en neutronen zijn niet fundamenteel, maar bestaan uit ‘up-quarks’ en ‘down-quarks’ en zijn daarom samengestelde deeltjesProtonen en neutronen bestaan elk uit drie quarks – een proton bestaat uit twee “up”-quarks en één “down”-quark, terwijl een neutron twee “down”-quarks en één “up”-quark bevat. “Up” en “down” zijn twee “smaken” of variëteiten van quarks. - Baryonen zijn samengestelde fermionen die bestaan uit drie quarks, bijvoorbeeld protonen en neutronen zijn baryonen - Hadronen bestaan uitsluitend uit quarks; bijvoorbeeld baryonen zijn hadronen. |
| [B]. BOSONS hebben spin in gehele getallen (0, 1, 2, 3, ….) – Bosonen volgen de Bose-Einstein-statistieken; hebben een gehele spin. – vernoemd naar Satyendra Nath Bose (1894–1974), die samen met Einstein de belangrijkste ideeën achter de statistische thermodynamica van een bosongas ontwikkelde. – gehoorzamen niet aan het Pauli-uitsluitingsprincipe, d.w.z. twee identieke bosonen kunnen dezelfde kwantumtoestand of dezelfde locatie in de ruimte innemen met hetzelfde kwantumgetal. Ze kunnen beide in dezelfde richting draaien, – Elementaire bosonen zijn het foton, het gluon, het Z-boson, het W-boson en het Higgs-boson. Het Higgs-boson heeft spin=0, terwijl de ijkbosonen (d.w.z. het foton, het gluon, het Z-boson en het W-boson) spin=1 hebben. – Samengestelde deeltjes kunnen bosonen of fermionen zijn, afhankelijk van hun bestanddelen. – Alle samengestelde deeltjes die uit een even aantal fermionen bestaan, zijn bosonen (omdat bosonen een gehele spin hebben en fermionen een oneven halfgeheel getal). – Alle mesonen zijn bosonen (omdat alle mesons bestaan uit een gelijk aantal quarks en antiquarks). Stabiele kernen met even massagetallen zijn bosonen, bijvoorbeeld deuterium, helium-4, koolstof-12, enz. – De samengestelde bosonen houden zich ook niet aan het uitsluitingsprincipe van Pauli. – Meerdere bosonen in dezelfde kwantumtoestand smelten samen tot “Bose-Einstein condensaat (BEC).” |
***
