Eine Illustration eines Protons (die große goldene Kugel), das mit einem Elektron (kleinere rote Kugel) kollidiert.(Bildnachweis: Valerie Lentz/Brookhaven National Laboratory)
Wissenschaftler haben mit Hilfe von Hochenergie-Teilchenkollisionen einen Blick in das Innere von Protonen geworfen, den Teilchen, die in den Kernen aller Atome sitzen. Dabei wurde zum ersten Mal festgestellt, dass Quarks und Gluonen, die Bausteine der Protonen, das Phänomen der Quantenverschränkung erleben.
Verschränkung ist der Aspekt der Quantenphysik, der besagt, dass zwei betroffene Teilchen den „Zustand“ des anderen augenblicklich beeinflussen können, egal wie weit sie voneinander entfernt sind – selbst wenn sie sich auf entgegengesetzten Seiten des Universums befinden. Albert Einstein begründete seine Relativitätstheorien mit der Vorstellung, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann, was jedoch die Unmittelbarkeit der Verschränkung ausschließen sollte.
Infolgedessen war Einstein von der Verschränkung so beunruhigt, dass er sie als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Doch trotz Einsteins Skepsis gegenüber der Verschränkung ist dieses „spukhafte“ Phänomen immer wieder nachgewiesen worden. Viele dieser Nachweise betrafen Tests mit immer größeren Entfernungen, über die eine Verschränkung nachgewiesen werden kann. Dieser neue Test wählte den umgekehrten Ansatz, indem er die Verschränkung über eine Entfernung von nur einem Billiardstel Meter untersuchte und feststellte, dass sie tatsächlich innerhalb einzelner Protonen auftritt.
Das Team fand heraus, dass der Informationsaustausch, der die Verschränkung definiert, zwischen ganzen Gruppen von Elementarteilchen, den Quarks und Gluonen, innerhalb eines Protons stattfindet.
„Bevor wir diese Arbeit gemacht haben, hat niemand die Verschränkung innerhalb eines Protons in experimentellen Hochenergiekollisionsdaten untersucht“, sagte Teammitglied und Brookhaven Lab Physiker Zhoudunming Tu in einer Erklärung. „Jahrzehntelang haben wir das Proton traditionell als eine Ansammlung von Quarks und Gluonen betrachtet, und wir haben uns darauf konzentriert, die sogenannten Einzelteilcheneigenschaften zu verstehen, einschließlich der Verteilung von Quarks und Gluonen im Proton.
„Jetzt, da nachgewiesen ist, dass Quarks und Gluonen verschränkt sind, hat sich dieses Bild geändert. Wir haben ein viel komplizierteres, dynamisches System.“
Die Forschung des Teams, die den Höhepunkt von sechs Jahren Arbeit darstellt, verfeinert das Verständnis der Wissenschaftler darüber, wie die Verschränkung die Struktur von Protonen beeinflusst.
Verstrickung wird chaotisch
Um die innere Struktur von Protonen zu erforschen, untersuchten Wissenschaftler hochenergetische Teilchenkollisionen, die in Anlagen wie dem Large Hadron Collider (LHC) stattgefunden haben. Wenn Teilchen mit extrem hohen Geschwindigkeiten kollidieren, werden andere Teilchen von der Kollision weggeschleudert, wie Wrackteile bei einem Unfall zwischen zwei Fahrzeugen.
Dieses Team nutzte eine 2017 entwickelte Technik, die die Quanteninformationswissenschaft auf Elektron-Proton-Kollisionen anwendet, um zu bestimmen, wie die Verschränkung die Wege der wegströmenden Teilchen beeinflusst. Wenn Quarks und Gluonen mit Protonen verschränkt sind, sollte sich dies laut dieser Technik in der Unordnung oder „Entropie“ zeigen, die in den Strahlen der Tochterteilchen zu sehen ist.
„Stellen Sie sich ein unordentliches Kinderzimmer vor, in dem Wäsche und andere Dinge überall verstreut sind“, so Tu. „In diesem unordentlichen Zimmer ist die Entropie sehr hoch.“
Der Gegensatz dazu ist eine Situation mit geringer Entropie, die einem ordentlich aufgeräumten und sortierten Schlafzimmer gleicht, in dem alles an seinem Platz ist. Ein unordentliches Zimmer deutet auf Verstrickung hin, wenn man so will.
„Für einen maximal verschränkten Zustand von Quarks und Gluonen gibt es eine einfache Beziehung, die es uns erlaubt, die Entropie von Teilchen vorherzusagen, die in einer Hochenergiekollision erzeugt werden“, sagte Dmitri Kharzeev, Theoretiker am Brookhaven Lab, in der Erklärung. „Wir haben diese Beziehung anhand experimenteller Daten getestet.“
Das Innere des Large Hadron Collider, in dem Protonen und andere Teilchen mit hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen. (Bildnachweis: Robert Lea)
Um zu untersuchen, wie „unordentlich“ Teilchen nach einer Kollision werden, wandte sich das Team zunächst den Daten zu, die bei Proton-Proton-Kollisionen am LHC erzeugt wurden. Auf der Suche nach „saubereren“ Daten untersuchten die Forscher dann Elektron-Proton-Kollisionen, die von 1992 bis 2007 am Hadron-Elektron-Ringbeschleuniger (HERA) durchgeführt wurden.
Beim Vergleich der HERA-Daten mit den Entropieberechnungen stimmten die Ergebnisse des Teams perfekt mit den Vorhersagen überein und lieferten einen starken Beweis dafür, dass Quarks und Gluonen im Inneren von Protonen maximal verschränkt sind. „Verschränkung findet nicht nur zwischen zwei Teilchen statt, sondern zwischen allen Teilchen“, sagte Kharzeev. Die maximale Verschränkung im Inneren des Protons ist eine Folge der starken Wechselwirkungen, die eine große Anzahl von Quark-Antiquark-Paaren und Gluonen erzeugen“, so Kharzeev. “Die Entdeckung der maximalen Verschränkung von Quarks und Gluonen im Inneren von Protonen könnte dazu beitragen, zu klären, was diese fundamentalen Teilchen mit den Bausteinen der Atomkerne zusammenhält.
Die Entdeckung von Details der Verschränkung zwischen Quarks und Gluonen könnte den Wissenschaftlern helfen, tiefer gehende Probleme in der Kernphysik zu erforschen, z. B. wie sich die Zugehörigkeit zu größeren Atomkernen auf die Struktur der Protonen auswirkt. Wird beispielsweise die Verschränkung der einzelnen Protonen zerstört, wenn man ein Proton in eine sehr belebte Kernumgebung bringt, die von vielen wechselwirkenden Protonen und Neutronen umgeben ist, ein Prozess, der „Quantendekohärenz“ genannt wird?
„Um diese Frage zu beantworten, müssen wir Elektronen nicht nur mit einzelnen Protonen, sondern mit Kernen kollidieren lassen“, so Tu. „Es wird sehr hilfreich sein, die gleichen Werkzeuge zu verwenden, um die Verschränkung in einem Proton zu sehen, das in einen Kern eingebettet ist – um zu lernen, wie es von der nuklearen Umgebung beeinflusst wird.“
Dies wird eine der wichtigsten Untersuchungen sein, die mit dem geplanten Elektronen-Ionen-Collider (EIC) des Brookhaven Labs durchgeführt werden. Diese Ergebnisse könnten ein wichtiger Bestandteil des Fahrplans für den EIC sein, der im Jahr 2030 in Betrieb gehen soll.
„Wenn wir uns die Verschränkung in der nuklearen Umgebung ansehen, werden wir definitiv mehr über dieses Quantenverhalten erfahren – wie es kohärent bleibt oder dekohärent wird – und mehr darüber lernen, wie es mit den traditionellen Phänomenen der Kern- und Teilchenphysik zusammenhängt, die wir zu lösen versuchen“, schloss Tu.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Reports on Progress in Physics veröffentlicht.