Im Inneren des Large Hadron Colliders entstehen Paare schwerer Z-Bosonen, deren Spins untrennbar miteinander verbunden sind. Wissenschaftler der ATLAS-Kollaboration haben diese Quantenverschränkung erstmals direkt gemessen, indem sie Zerfälle des Higgs-Bosons nutzten.
Das Experiment stützt sich auf den Prozess H → ZZ* → vier Leptonen. Zwei Z-Bosonen, jedes mit Spin 1, verhalten sich wie Qutrits – dreistufige Quantensysteme. Ihre Polarisationen korrelieren derart, dass die Messung der einen augenblicklich den Zustand der anderen bestimmt, selbst wenn die Teilchen in verschiedene Richtungen des Detektors auseinanderfliegen.
Die Analyse der Winkelverteilungen der Zerfallsprodukte ermöglichte es, die Koeffizienten der Spindichtematrix zu extrahieren. Die erhaltenen Werte C_{2,1,2,−1} = −0,71 ± 0,45 und C_{2,2,2,−2} = 0,08 ± 0,44 stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Ein zusätzlicher Test anhand der vollständigen Winkelverteilung verwarf die Hypothese eines separierbaren Zustands mit einer Signifikanz von 4,7 Standardabweichungen.
Zuvor wurde Verschränkung bei Photonen, Elektronen und Quarks beobachtet. Nun ist sie für massive Vektorbosonen bei Energien der elektroschwachen Wechselwirkung bestätigt – in der Größenordnung von 100 GeV. Dies ist ein grundlegend anderes Regime: Hier wirken die schwachen Kräfte mit ihrer chiralen Struktur.
Das Ergebnis ebnet den Weg zur Untersuchung quantenmechanischer Korrelationen in anderen Higgs-Zerfallskanälen und bei künftigen Läufen des LHC. Solche Messungen könnten Aufschluss darüber geben, wie sich die Quantenmechanik in den fundamentalen Wechselwirkungen bei hohen Energien manifestiert.
Die Entdeckung zeigt, dass Verschränkung keine Exotik der Mikrowelt ist, sondern eine unveräußerliche Eigenschaft von Teilchen, die in den leistungsstärksten Beschleunigern der Menschheit entstehen.
