Verschränkung erlaubt Einblick in Atomkerne

US-Physiker berichten über eine neue Form des Quanteneffekts.

Spätestens seit Anton Zeilingers Nobelpreis wissen auch nicht einschlägig gebildete Österreicher zumindest gefühlsmäßig, was Verschränkung ist: Zwei Teilchen, die einmal miteinander in Kontakt waren, bleiben eng verbunden. Wenn sich der Zustand des einen Teilchens ändert, dann ändert sich augenblicklich auch der Zustand des anderen, selbst wenn es weit weg ist.

Meist wird solche Verschränkung an Elektronen oder Photonen gemessen. Nun berichten Kernphysiker vom Brookhaven National Laboratory, dass sie Verschränkung an exotischeren Teilchen beobachtet haben: an p-Teilchen. Solche Teilchen, auch Pionen genannt, setzen sich aus je zwei Quarks zusammen – im Gegensatz zu Protonen und Neutronen, die aus je drei Quarks bestehen und die Atomkerne bilden.

Gold-Ionen im Beschleuniger

Die Kraft, die diese regiert, die starke Kernkraft, macht es den Theoretikern gar nicht leicht. Sie beschreiben sie durch den Austausch von masselosen Teilchen, die sie Gluonen nennen, weil sie die Quarks so fest zusammenhalten wie Klebstoff („glue“). Die Experimentatoren in Brookhaven untersuchen die starke Kraft, indem sie die Wechselwirkung von Licht – also Photonen – mit den Gluonen analysieren. Und zwar unter den heftigen Bedingungen ihres Teilchenbeschleunigers, des Relativistic Heavy Ion Collider (Rhic), in dem sie Gold-Ionen aufeinander schießen.

Bei der Wechselwirkung eines Gluons mit einem Photon kann ein sogenanntes r-Teilchen entstehen, das aber sofort in zwei p-Teilchen zerfällt, ein p+ und ein p–. Deren Impulse messen die Experimentatoren, daraus errechnen sie den Impuls des r-Teilchens, und aus diesem schließen sie auf das Gluon und das Photon, deren Wechselwirkung es erzeugt hat. Das ist so kompliziert, wie es klingt. Dass es überhaupt möglich ist, liege daran, dass sich ein p+ aus einem Zerfall mit einem p– aus einem anderen Zerfall (respektive umgekehrt) verschränken könne, sagt Rhic-Physiker Wangmei Zha: „Das ist die Seltsamkeit der Quantenmechanik!“Diese hilft nun also auch, das Innenleben der Atomkerne zu ergründen. Für Quantenphysiker interessant ist: Es soll das erste Mal sein, dass Verschränkung zwischen zwei unterschiedlichen Teilchen beobachtet worden ist.