Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Quanteninterferenz beobachtet – eine wellenartige Wechselwirkung zwischen Teilchen, die mit dem Seltsamen in Verbindung steht Quantenphänomen der Verschränkung– die zwischen zwei verschiedenen Arten von Teilchen auftritt. Die Entdeckung könnte Physikern helfen zu verstehen, was im Inneren eines Atomkerns vor sich geht.
Teilchen wirken sowohl als Teilchen als auch als Wellen. Und Interferenz ist die Fähigkeit der wellenartigen Wirkung eines Teilchens, die Wirkung anderer Quantenteilchen zu verringern oder zu verstärken, wie zwei Kielwasser, die sich in einem See kreuzen. Manchmal summieren sich die überlappenden Wellen zu einer größeren Welle, und manchmal heben sie sich auf und löschen die Welle. Diese Interferenz tritt auf, weil Verstrickung, einer der seltsameren Aspekte der Quantenphysik, der in den 1930er Jahren vorhergesagt und seit den 1970er Jahren experimentell beobachtet wurde. Wenn sie verschränkt sind, werden die Quantenzustände mehrerer Teilchen miteinander verknüpft, sodass die Messungen von einem mit den Messungen der anderen korrelieren, selbst wenn sich einer auf dem Jupiter und ein anderer auf Ihrem Vorgarten befindet.
Unähnliche Partikel können sich manchmal verheddern, aber bisher war nicht bekannt, dass diese nicht übereinstimmenden verhedderten Partikel sich gegenseitig stören. Das liegt daran, dass ein Teil von Interferenz messen beruht darauf, dass zwei wellenförmige Teilchen nicht voneinander zu unterscheiden sind. Stellen Sie sich zwei Photonen oder Lichtteilchen aus zwei getrennten Quellen vor. Wenn Sie diese Photonen erkennen würden, gäbe es keine Möglichkeit zu bestimmen, aus welcher Quelle jedes stammt, da es keine Möglichkeit gibt, zu sagen, welches Photon welches ist. Dank der Quantengesetze dieser sehr kleinen Teilchen ist diese Mehrdeutigkeit tatsächlich messbar: alle möglichen Geschichten der zwei identischen Photonen interferieren miteinander und erzeugen neue Muster in den letzten wellenförmigen Aktionen der Partikel.
Diese Muster treten jedoch normalerweise nicht bei einem Paar unterschiedlicher Partikel auf, selbst wenn sie verschränkt sind. Da es möglich ist, diese Teilchen zu unterscheiden, gibt es kein Rätsel um ihre Geschichte und somit keine Interferenzen zwischen diesen verschiedenen Welten der Möglichkeiten – zumindest bis jetzt.
Physiker haben nun erstmals eine Interferenz zwischen zwei unähnlichen subatomaren Teilchen gefunden. Forscher machten die Beobachtung am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), einem kolossalen Teilchenbeschleuniger im Brookhaven National Laboratory auf Long Island. Die Entdeckung erweitert unser Verständnis von Verschränkung und bietet neue Möglichkeiten, sie zum Studium der subatomaren Welt zu nutzen.
„Mit dieser neuen Technik sind wir in der Lage, die Größe und Form des Kerns auf etwa ein Zehntel eines Femtometers zu messen, ein Zehntel der Größe eines einzelnen Protons“, sagt James Daniel Brandenburg, Physiker an der Ohio State University und ein Mitglied des STAR-Experiments von RHIC, bei dem das neue Phänomen beobachtet wurde. Das ist 10- bis 100-mal genauer als bisherige Messungen an hochenergetischen Atomkernen.
RHIC wurde entwickelt, um schwere Ionen, wie die Kerne von Goldatomen, kollidieren zu lassen. In diesem Fall interessierten sich die Forscher jedoch für Beinaheunfälle, nicht für Kollisionen. Während die Goldkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Collider rasen, erzeugen sie ein elektromagnetisches Feld, das Photonen erzeugt. Wenn sich zwei Goldkerne nahe kommen, aber nicht kollidieren, können die Photonen von den benachbarten Kernen abprallen. Diese Beinaheunfälle galten früher als Hintergrundgeräusche, sagt STAR-Mitarbeiter Raghav Kunnawalkam Elayavalli, Physiker an der Vanderbilt University. Aber ein Blick auf die knappen Ereignisse „eröffnete ein ganz neues Feld der Physik, das anfangs nicht zugänglich war“, sagt Kunnawalkam Elayavalli.
Wenn ein Photon vom Kern eines benachbarten Goldions abprallt, kann es ein außergewöhnlich kurzlebiges Teilchen namens Rho erzeugen, das schnell in zwei Teilchen namens Pionen zerfällt, eines positiv geladen und eines negativ geladen.
Das positive Pion kann andere positive Pionen stören, die durch andere atomare Vorbeiflüge verursacht werden. Das negative Pion kann andere negative Pionen stören. Bisher ist das alles Lehrbuch. Doch dann wird es merkwürdig: Weil die positiven und negativen Pationen verschränkt sind, stören sie sich auch gegenseitig. „Was sie tun, ist auf interessante Weise stilistisch anders“, sagt Jordan Cotler, ein Postdoktorand in theoretischer Physik an der Society of Fellows der Harvard University, der nicht an der Forschung beteiligt war. Der zweistufige Effekt von Verschränkung und Interferenz verstoße zwar nicht gegen Grundregeln der Quantenmechanik, sagt Cotler, sei aber ein „klügerer“ Weg, um diesen Teilchen neue Informationen abzuringen.
Insbesondere können die Photonen wie winzige Laser wirken und die Kerne der Goldionen abtasten, mit denen sie kollidieren. Diese Wechselwirkungen ermöglichen es Forschern, subatomare Teilchen wie Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen in einem Atom bestehen, und Gluonen, die die Quarks zusammenhalten, zu untersuchen. Physiker verstehen immer noch nicht ganz, wie Protonen Eigenschaften wie Masse und Spin, die Quantenversion des Drehimpulses, von diesem Eintopf aus verschränkten Teilchen erhalten.
Durch die Messung des Impulses der Pionen können Forscher ein Bild von der Dichte des Objekts bekommen, von dem das Photon abprallt – in diesem Fall die subatomaren Teilchen, aus denen der Kern des Ions besteht. Frühere Versuche, diese Art von Messungen mit anderen Arten von Partikeln bei hohen Geschwindigkeiten durchzuführen, haben zu einem frustrierend verschwommenen Bild geführt.
Die STAR-Wissenschaftler haben jedoch kürzlich entdeckt, dass die Photonen in diesen Experimenten polarisiert sind, was bedeutet, dass sich ihre elektrischen Felder in eine bestimmte Richtung ausbreiten. Diese Polarisation wird an die Pionen weitergegeben und durch die Quanteninterferenz verstärkt, sagt Yoshitaka Hatta, Physiker am Brookhaven National Laboratory, der nicht an der Forschung beteiligt war. Durch die genaue Berechnung der Polarisation können die Forscher die „Unschärfe“ praktisch von den Messungen des Kerns abziehen und erhalten ein viel genaueres Bild. „Wir können tatsächlich den Unterschied sehen, wo sich die Protonen und die Neutronen im Kern befinden“, sagt Brandenburg. Die Protonen, sagt er, tendieren dazu, sich in der Mitte zusammenzuballen, umgeben von einer „Haut“ aus Neutronen.
Abgesehen von der Größe des Zellkerns gibt es weitere Details, die diese Technik aufdecken könnte. Zum Beispiel übertrifft der Spin eines Protons den Spin der Quarks, aus denen ein Proton besteht, was bedeutet, dass es etwas Unerklärtes innerhalb des Protons gibt, das den Rest des Spins erklärt. Die Gluonen, die die Quarks zusammenhalten, seien wahrscheinlich die Schuldigen, sagt Brandenburg, aber Wissenschaftler müssen noch einen guten Weg finden, um herauszufinden, was sie vorhaben. In Zukunft könnte die neue Technik einen klareren Blick auf den Spin und andere Eigenschaften von Gluonen ermöglichen.
„Was so wunderbar ist“, sagt Cotler, „ist, dass diese zeitgenössischen Experimente immer noch die Grenzen unseres Verständnisses von Quantenmechanik und Messung erweitern und neue Horizonte für Theorie und Experiment eröffnen.“