Iets dat mijn brein helemaal stilzet

Er zijn van die momenten waarop je iets leert over het universum en je even gewoon stil moet zitten. Dit is zo'n moment.

Natuurkundigen van de Universiteit van Oxford hebben, samen met de Large Hadron Collider van CERN (die enorme ring onder de grond in Zwitserland waar ze deeltjes op elkaar knallen met bijna de snelheid van het licht), iets laten zien wat mijn brein stilzet.

Ze hebben aangetoond dat kwantumverstrengeling — dat beroemde en bizarre fenomeen dat Einstein "spooky action at a distance" noemde — kan overleven in de meest extreme omstandigheden die we ons kunnen voorstellen.

En niet alleen overleven. Het kan er zelfs floreren.

Wat is kwantumverstrengeling eigenlijk?

Laat me het simpel uitleggen. Stel je hebt twee deeltjes die samen zijn gemaakt of op de een of andere manier met elkaar in contact zijn geweest. Zodra ze verstrengeld zijn, zijn ze met elkaar verbonden op een hele rare manier. Hoe ver je ze ook van elkaar scheidt.

Hier komt het: meet je één deeltje, dan weet je meteen iets over zijn partner. Meet de spin van het ene deeltje, en de spin van het andere is direct bekend. Het is alsof ze een gesprek voeren, ongeacht de afstand. Ze kunnen aan tegenovergestelde kanten van het universum zitten, en die verbinding blijft gewoon bestaan.

Einstein was hier niet blij mee. Hij dacht dat er een verborgen variabele moest zijn, een diepere verklaring. Hij noemde het "spooky action at a distance" en probeerde jarenlang het tegendeel te bewijzen.

Hij had het mis. (Niet over alles natuurlijk. Hij was nog steeds briljant op ontelbaar veel andere gebieden.)

De zwaargewichten van de kwantumwereld

Hier wordt het spannend.

Wetenschappers weten al decennia van verstrengeling. Ze hebben het gezien in fotonen, elektronen, opgesloten ionen, zelfs top quarks. Maar dit zijn allemaal relatief braaf te noemen kwantumsystemen die we zorgvuldig in laboratoria kunnen bestuderen.

Het team uit Oxford wilde verder gaan. Ze wilden weten: kan verstrengeling overleven in de absolute chaos van een deeltjesversneller?

Concreet keken ze naar Z-bosonen. Dit zijn deeltjes die:

• Ongelooflijk zwaar zijn (voor subatomaire deeltjes dan)
• Slechts een fractie van een seconde bestaan voordat ze vervallen -Geboren worden uit het verval van Higgs-bosonen
• Gemaakt worden wanneer protonen op elkaar knallen met 99,99 procent van de snelheid van het licht en energieën van dertien biljoen elektronvolt

Juist, we hebben het over deeltjes die ontstaan bij de meest gewelddadige botsingen die mensen ooit hebben geproduceerd.

Kwantummagie vinden in het puin

Hier komt het slimme gedeelte. Z-bosonen verdwijnen bijna meteen, maar ze laten sporen achter. Wanneer een Z-boson vervalt, produceert het elektronen of muonen (zwaardere neven van elektronen). De ATLAS-detector bij de LHC kan deze vervalproducten met ongelooflijke precisie meten.

Door de hoeken te analyseren waaronder deze deeltjes tevoorschijn kwamen, konden onderzoekers de spins van de oorspronkelijke Z-bosonen reconstrueren. En wat bleek? De correlaties — het kwantumvingerafdruk van verstrengeling — waren nog steeds aanwezig.

Met andere woorden: de spooky action was springlevend, zelfs in deze omgeving van extreme energie en chaos.

Professor Alan Barr van Oxford, betrokken bij de bouw van de LHC en al jaren bezig met het gebruiken ervan voor kwantumexperimenten, zei het treffend:

"Het terugvinden van verstrengeling bij deeltjes zo zwaar en kortlevend als Z-bosonen, gemaakt in enkele van de meest gewelddadige botsingen die we op aarde kunnen produceren, toont hoe fundamenteel en robuust dit kwantumeffect werkelijk is."

Waarom dit belangrijk is (behalve dat het cool is)

Je denkt misschien: "Leuk voor natuurkundigen, maar waarom zou ik hiervan opkijken?"

Eerlijke vraag. Hier is waarom dit groot is:

1. Het bewijst dat kwantummechanica overal werkt. We zien verstrengeling niet alleen in zorgvuldig gecontroleerde labomstandigheden. Dezelfde regels die misschien ooit kwantumcomputers zullen aandrijven, zijn aan het werk in de meest extreme omgevingen die de natuur te bieden heeft.

2. Het is een brug tussen twee werelden. Dit onderzoek maakt deel uit van een groeiende beweging om kwantuminformatiewetenschap — het vakgebied achter kwantumcomputing — naar deeltjesfysica te brengen. Onderzoekers passen concepten die voor kwantumsystemen zijn ontwikkeld toe op de enorme datasets van deeltjesversnellers, in de hoop patronen te vinden die niet passen in ons huidige begrip.

3. Het zou nieuwe fysica kunnen onthullen. Deze technieken kunnen uiteindelijk subtiele effecten detecteren die wijzen op fysica voorbij wat we nu kennen — misschien zelfs aanwijzingen over de onderliggende aard van de werkelijkheid zelf.

Het universum blijkt connecter dan we ooit hadden bedacht.

De conclusie

Ik hou ervan dat dit onderzoek ons eraan herinnert hoe vreemd en prachtig de kwantumwereld is. We denken vaak dat kwantummechanica iets is dat alleen gebeurt in kleine, delicate labexperimenten — gemakkelijk te verstoren, gemakkelijk te verliezen.

Maar dat is niet wat deze studie laat zien.

Kwantumverstrengeling is niet fragiel. Het is niet zomaar een laboratoriumcuriositeit. Het is verweven in het weefsel van de werkelijkheid zelf, en blijft bestaan zelfs wanneer deeltjes worden gecreëerd onder omstandigheden die bijna alles anders zouden vernietigen.

Dezelfde "vreemde regels van de kwantummechanica" die ons ooit onmogelijk krachtige computers kunnen geven, zijn overal in de natuur aan het werk — misschien wel op manieren die we nog niet eens zijn begonnen te begrijpen.

En eerlijk? Ik vind dat soort geruststellend.