Natuurkundigen hebben met de Large Hadron Collider, de beroemde deeltjesversneller van CERN, het vreemde verschijnsel quantumverstrengeling onderzocht bij veel hogere energieën dan ooit tevoren.

De Large Hadron Collider (LHC) staat vooral bekend om het op hoge snelheid tegen elkaar knallen van deeltjes. Maar nu hebben fysici deze enorme machine gebruikt voor een veel delicater experiment: het onderzoeken van quantumverstrengeling.

De eerste resultaten tonen aan dat er verstrengeling plaatsvindt tussen tweetallen van quarks, een type subatomair deeltje. Deze eerste metingen vormen de aftrap van nieuwe pogingen om te testen of vreemde quantumverschijnselen ook op extreem hoge energieniveaus optreden. Het onderzoek kan leiden tot nieuwe inzichten in de fundamentele aard van de werkelijkheid.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Onlosmakelijk

Verstrengeling is een quantumeffect waarbij deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Daardoor onthult het meten van een bepaalde eigenschap van het ene deeltje onmiddellijk ook diezelfde eigenschap van het andere deeltje.

Onderzoekers hebben verstrengeling al veelvuldig bestudeerd in bepaalde elementaire deeltjes, waaronder elektronen en fotonen. Sommige elementaire deeltjes zijn echter een stuk moeilijker te meten. Met name quarks, de ondeelbare bouwstenen van protonen en neutronen, zijn bijna altijd aan elkaar gebonden en daardoor lastig om op zichzelf te bestuderen.

Kinddeeltjes

Nu hebben natuurkundige Jay Howarth en zijn collega’s van CERN, het deeltjeslaboratorium in Zwitserland waar de LHC is gevestigd, verstrengeling tussen paren van quarks gemeten. ‘Hiermee test je rechtstreeks of de quantummechanica zich nog steeds op dezelfde manier gedraagt wanneer je een tien biljoen keer hogere energie hebt dan in elk ander experiment’, zegt Howarth. ‘Het lijkt erop dat dit over het algemeen wel zo is.’

Het team bestudeerde topquarks, een type quark dat ongeveer 175 keer zo zwaar is als een proton. De onderzoekers produceerden deze topquarks door twee bundels protonen tot hoge energieën te versnellen en ze zo te richten dat ze elkaar heel dicht naderen zonder echt te botsen. Wanneer de bundels elkaar tegenkomen, ontstaan uit de overtollige energie paren van topquarks. Die vervallen vervolgens snel in een soep van andere deeltjes met veel energie.

Of de topquarks al dan niet verstrengeld zijn, beïnvloedt waar hun ‘kinddeeltjes’ naartoe gaan. De onderzoekers konden de quantumaard van de topquarks dus reconstrueren door de richtingen van de deeltjesscherven te observeren. Dat bevestigde dat er sprake was van verstrengeling. ‘De topquarks zijn verstrengeld, waarna we de vervaldeeltjes meten die de handtekening van die verstrengeling met zich meedragen’, zegt Howarth.

Subtiliteit

Nooit eerder is quantumverstrengeling bij zulke hoge energieën gemeten. Het team ontdekte bovendien iets onverwachts: de resultaten kwamen net niet overeen met het niveau van verstrengeling dat wordt voorspeld door het standaardmodel van de deeltjesfysica, onze beste theorie over hoe deeltjes op elkaar inwerken. ‘Dit benadrukt waarschijnlijk het feit dat wanneer we deze zeer extreme gebieden betreden, de theorie een klein beetje subtiliteit ontbeert. Het is vermoedelijk niet een of andere vorm van bizarre nieuwe fysica’, zegt Howarth.

‘Dit is een bijzonder interessante nieuwe meting, die de LHC de kans biedt om een type fysica te verrichten waar die versneller traditioneel niet mee geassocieerd wordt’, zegt natuurkundige Alan Barr van de Universiteit van Oxford. Hij was niet betrokken bij het werk.

Toekomstige experimenten die verstrengeling meten tussen andere fundamentele zware deeltjes, zoals higgsdeeltjes en W- en Z-bosonen, zouden kunnen helpen vastpinnen waar het standaardmodel tekortschiet. ‘Het zou ons verbazen als de quantumtheorie op dit gebied niet werkt. Maar de natuur heeft ons in het verleden al vaker voor verrassingen gesteld’, zegt Barr. ‘Zolang je de metingen nog niet daadwerkelijk hebt uitgevoerd, weet je niet wat de resultaten zullen zijn.’