Topkvarken er den suverænt tungeste af de elementarpartikler, alt kendt stof i universet er bygget af. Nu har fysikere brugt verdens største maskine til at vise, at to topkvarker kan ’danse i takt’.
\ Automatisk oplæsning
Topkvarken er den suverænt tungeste af de elementarpartikler, alt kendt stof i universet er bygget af. Nu har fysikere brugt verdens største maskine til at vise, at to topkvarker kan ’danse i takt’.
Selv universets tungeste elementarpartikler må adlyde kvantemekanikkens love.
Det viser målinger fra verdens største partikelaccelerator Large Hadron Collider (LHC), som fysikerne har brugt til at studere topkvarkers opførsel.
Eksperimentet viser, at når man smasker to protoner sammen med ekstrem høj energi, så kan der opstå to topkvarker – eller mere præcist en topkvark og en antitopkvark – der er kvantemekanisk forbundet, indtil de henfalder efter ganske kort tid.
Denne kvantemekaniske sammenfiltring (på engelsk ’quantum entanglement’) er aldrig observeret for kvarker før. Og resultatet er ekstra bemærkelsesværdigt, fordi topkvarker er de tungeste og mest kortlivede elementarpartikler, vi kender til, og der skal rigtig meget energi til at skabe dem.
»Det er en test af, om kvantemekanikken også gælder for ekstremt tunge og kortlivede partikler som topkvarker. Det kunne jo være, at kvantemekanikken begyndte at opfører sig lidt anderledes ved så høje energier og korte tidsrum, men det kan vi nu afkræfte,« fortæller Jørgen Beck Hansen, der er lektor på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Som partikelfysiker arbejder Jørgen Beck Hansen med data fra den enorme detektor ATLAS, som er en del af partikalacceleratoren LHC, og som fysikerne har brugt til at detektere sporene efter topkvarkerne.
Han er også blandt de cirka 3.000 forfattere til en videnskabelig artikel om de sammenfiltrede topkvarker, der netop er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.
Sammenfiltring eller ’entanglement’ er en grundlæggende del af kvantemekanikken.
Når to partikler er sammenfiltrede, opfører de sig som ét samlet system. Partiklerne danser så at sige i takt; de er korrelerede. Man kan ikke beskrive den ene uden også at beskrive den anden.
De to partikler kan være i en ubestemt kvantemekanisk tilstand, som man ikke kender, før man måler den. Men når man så måler en egenskab for den ene partikel, kender man med det samme den anden partikels tilsvarende egenskab, ligegyldigt hvor langt der er imellem dem.
Når partiklerne er sammenfiltrede, virker det, som om den ene partikel ved, hvad der sker med den anden – et fænomen, som Einstein kaldte for en »spøgelsesagtig fjernvirkning «.
»Nu er vi sikre på, at sammenfiltring også er i spil for topkvarker. Når den ene topkvark siger A, så siger den anden B. De to kvarker hører sammen som yin og yang,« siger Jørgen Beck Hansen.
Det er i øvrigt ikke så underligt, hvis man aldrig har hørt om topkvarker, for de hører til blandt de mere eksotiske elementarpartikler, man ikke normalt støder på.
Topkvarker er langt tungere end de elementarpartikler, atomer består af. En enkelt topkvark har omtrent samme masse som 338.000 elektroner og er næsten lige så tung som et guldatom.
Faktisk blev eksistensen af topkvarker først bekræftet eksperimentelt i 1995. Det hænger sammen med, at det kræver rigtig meget energi at danne dem.
I dag er den 27 km lange accelerator LHC, der hører til forskningscenteret CERN i Schweiz, den eneste maskine, der kan producere topkvarker.
Det sker, når protoner accelereres op til hastigheder uhyre tæt på lysets og så får lov til at kollidere. Så ophører protonerne op med at eksistere, og i stedet opstår der en række andre partikler, herunder ind imellem topkvarker.
Der skulle rigtig mange protonkollisioner til at afsløre topkvarkernes sammenfiltring. Faktisk cirka 10 millioner milliarder. Derfor har resultatet været flere år undervejs.
Topkvarker kan ikke detekteres direkte, fordi de kun eksisterer i ufattelig kort tid, før de henfalder og bliver til andre, lettere partikler. Levetiden er cirka 10-25 sekunder, altså mindre end en milliardtedel af en milliardtedel af en milliontedel af et sekund.
Når fysikerne alligevel ved, at de findes, er det, fordi de kan måle deres henfaldsprodukter, altså de partikler, de henfalder til.
I forbindelse med det nye resultat fra CERN er det også henfaldsprodukterne, der har røbet, at de to topkvarker var sammenfiltrede i deres ganske korte liv.
»Vi spurgte naturen, om ’entanglement’ stadig fungerer som forventet i et ekstremt miljø med superkorte tider og enormt høje energier. Og den gør den altså,« som Jørgen Beck Hansen formulerer det.
Som fænomen kan kvantemekanisk sammenfiltring bruges i praksis.
Med sammenfiltrede fotoner, altså lyspartikler, kan man bygge ubrydelige kvantekrypteringssystemer, og uden sammenfiltring ville det være umuligt at bygge en kvantecomputer – det kan man læse mere om i denne artikel.
Det er straks mere tvivlsomt, om de sammenfiltrede topkvarker, som er blevet observeret i partikelacceleratoren i Schweiz, har en praktisk anvendelse. Det tvivler professor Nikolaj Zinner fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet på:
» I sig selv er det et stærkt resultat, at det er lykkedes at måle ’entanglement’ for topkvarker. Men jeg synes, det er lidt ude af proportioner, når forskerne skriver, at acceleratorer som LHC kan bruges som laboratorier til at studere kvanteinformation,« siger han.
Hvis sammenfiltringen for topkvarkerne ikke var blevet observeret, var det noget andet.
»Forsøget bekræfter jo blot noget, som var helt forventeligt. Det modsatte resultat havde været interessant, det havde virkelig drevet forskningen fremad!«
Men nu ved vi i det mindste, at selv naturens tungeste elementarpartikler må bøje sig for kvantefysikkens love, som den store danske fysiker Niels Bohr var med til at formulere.
