CERN weist Quantenverschränkung bei extrem schweren Teilchen nach

Physiker, die mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider des CERN arbeiten, haben starke Belege für eine Quantenverschränkung zwischen Paaren von Z-Bosonen gefunden, die beim Zerfall von Higgs-Bosonen entstehen. Damit weiten sie eines der rätselhaftesten Phänomene der Quantenmechanik auf die schwersten und kurzlebigsten Teilchen aus, die je untersucht wurden. Die Ergebnisse, die am 11. September 2026 in den Physical Review Letters veröffentlicht wurden, stellen einen der hochenergetischsten Nachweise von Verschränkung dar, die je dokumentiert wurden.phys+1

Die ATLAS-Kollaboration analysierte Daten aus Proton-Proton-Kollisionen bei Energien von 13 und 13,6 Billionen Elektronenvolt. Sie suchte dabei nach der seltenen Zerfallskette, bei der sich ein Higgs-Boson in zwei Z-Bosonen aufspaltet, die wiederum in ein Paar aus Elektronen oder Myonen zerfallen. Da Z-Bosonen in etwa 3 × 10⁻²⁵ Sekunden zerfallen, konnten die Physiker ihren Spin nicht direkt messen. Stattdessen rekonstruierten sie die Winkel, in denen sich die vier resultierenden Leptonen durch den Detektor bewegten, um rückwirkend auf die Quantenzustände der ursprünglichen Z-Bosonen zu schließen.sciencealert+3

Qutrits statt Qubits

Im Gegensatz zur Verschränkung von Top-Quarks, die das ATLAS-Team 2024 in einem Nature-Artikel nachwies, besitzen Z-Bosonen drei mögliche Spin-Zustände statt nur zwei. In der Sprache der Quanteninformation macht sie das zu jeweils einem „Qutrit“. Der Physiker Juan Antonio Aguilar-Saavedra vom Institut für Theoretische Physik in Spanien stellte fest, dass „die Spins der beiden Z-Bosonen extrem verschränkt sind, deutlich stärker als im zuvor gemessenen Top-Antitop-Fall“.nature+1

Der empfindlichste Test des Teams sprach für den verschränkten Zustand gegenüber der nicht-verschränkten Alternative, und zwar mit einer statistischen Signifikanz von 4,7 Sigma. Dies liegt zwar knapp unter der 5-Sigma-Schwelle, die traditionell für eine offizielle Entdeckung erforderlich ist, reicht aber als robuster Beleg aus.sciencealert+1

Eine „virtuelle Ente“

Eine ungewöhnliche Besonderheit ergab sich aus der Massenberechnung. Ein Higgs-Boson wiegt etwa 125 GeV, während jedes Z-Boson eine Masse von fast 91 GeV aufweist. Das bedeutet, dass die Energie nicht ausreicht, damit zwei gewöhnliche Z-Bosonen gleichzeitig entstehen. Mindestens eines der beiden muss „virtuell“ sein, eine flüchtige Quantenfluktuation, die sich nicht direkt beobachten lässt. Das neue Ergebnis legt nahe, dass selbst ein virtuelles Z-Boson an einer Verschränkung teilnehmen kann, was philosophische Fragen über die Natur solcher Teilchen aufwirft.sciencealert+1

> „Wenn es wie eine Ente läuft und wie eine Ente quakt, dann muss das, was wir vor uns haben, eine Ente sein. In diesem Fall eine virtuelle Ente“, sagte Aguilar-Saavedra.sciencealert

Quantenmechanik im Extrembereich testen

Mit nur etwa 400 qualifizierenden Kollisionsereignissen aus jahrelangen Datenaufzeichnungen stieß die Messung an die Grenzen dessen, was der LHC aus seinen seltensten Prozessen herausholen kann. Der Oxforder Physiker und Co-Autor der Studie, Alan Barr, der als Erster vorschlug, Teilchenbeschleuniger zur Untersuchung von Verschränkungen bei hohen Energien zu nutzen, nannte das Ergebnis „eine schöne Erinnerung daran, dass dieselben seltsamen Regeln der Quantenmechanik, die eines Tages Quantencomputer antreiben könnten, überall in der Natur am Werk sind, selbst bei den extremen Energien des Large Hadron Collider“.phys+1

Ein derzeit laufendes Upgrade sowohl des ATLAS-Detektors als auch des High-Luminosity LHC soll weitaus größere Datensätze liefern. Dies öffnet die Tür, um die 5-Sigma-Schwelle zu überschreiten und Quantenphänomene mit noch größerer Präzision zu erforschen.phys