Mesonen erfüllen Bellsche Ungleichung

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Teilchenphysikern bei Belle am KEKB-Beschleuniger in Tsukuba, Japan, ist es erstmals gelungen eine Verletzung der Bellschen Ungleichung bei Elementarteilchen nachzuweisen. Damit konnten sie die Vollständigkeit der Quantenmechanik erneut bestätigen.

In der Quantenmechanik findet man bestimmte physikalische Systeme, bei denen zwei beliebig voneinander entfernte Teilchen nicht-lokale Korrelationen aufweisen. Bei so genannten verschränkten Photonen ist beispielsweise ein Photon horizontal polarisiert, während sein Partner immer vertikal polarisiert ist. Misst man also die Polarisation des ersten Photons, so erhält man instantan Informationen über das zweite Photon, das sich in sehr großer Entfernung befinden kann. Im Sinne der Speziellen Relativitätstheorie sollten allerdings beide Photonen vollkommen unabhängig voneinander sein, wenn sie während einer Messung nicht mit Hilfe von Signalen kommunizieren können.

Einstein, Rosen und Podolsky argumentierten in ihrem berühmten EPR-Paradoxon 1935, dass solche Korrelationen unserem Verständnis widersprechen und man nicht messbare, so genannte versteckte Variable einführen müsse, welche die Teilchen lokal beschreiben. In den 1960er Jahren zeigte John Bell, dass es möglich sein sollte experimentell zu testen, ob solche Variablen wirklich existieren, oder ob die Quantenmechanik vollständig ist und nicht-lokale Korrelationen tatsächlich eine physikalische Realität besitzen. Er definierte eine Funktion, welche die Korrelationen zwischen den Teilchen beschreibt. Ist der gemessene Wert größer als 2, so ist die Bellsche Ungleichung verletzt und versteckte Variable können ausgeschlossen werden.

Anfang der 1970er Jahre gab es erste Bestätigungen der Bellschen Ungleichung. Seitdem sind die Messungen zu einer Präzision gelangt, mit der man versteckte Variablen mit mehr als 100 Standardabweichungen ausschließen kann. Alle diese Experimente wurden allerdings an Photonen vorgenommen. Erst kürzlich gelang es Apollo Go und seinen Kollegen in der Belle Kollaboration am KEK in Japan eine Verletzung der Bellschen Ungleichung bei Elementarteilchen nachzuweisen.

Dafür verwendeten sie B-Meson-Paare, die in großer Zahl am KEKB- Beschleuniger in Tsukuba, Japan, produziert werden. Die B-Mesonen entstehen beim Zerfall des so genannten Ypsilon(4S)-Teilchens, bei dem jeweils ein B ⁰ sowie sein Antiteilchen, ein Anti-B ⁰, erzeugt werden. Bevor diese Mesonen zerfallen, können sie sich allerdings über Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen ineinander umwandeln. Man weiß also vor der Messung nicht, ob man ein B ⁰-Meson oder sein Antiteilchen messen wird. Hat man auf der einen Seite allerdings ein B ⁰-Meson nachgewiesen, so weiß man mit Sicherheit, dass man zur gleichen Zeit auf der anderen Seite ein Anti-B ⁰ vorfinden muss. Genau das haben Apollo Go und seine Kollegen getestet.

Einer von vielen Zerfallskanälen der B-Mesonen ist B ⁰ → D ^*- l ⁺ ν, sowie das Anti-B ⁰ → D ^*+ l ^- ν. Die Ladung des Leptons l definiert also, ob es sich um ein B ⁰ oder sein Antiteilchen gehandelt hat. Anschließend identifiziert man das zweite B-Meson ebenfalls mit Hilfe der Leptonenladung. Aufgrund dieser Informationen kann man die Korrelationsfunktion berechnen.

Die Messung ergab einen Wert von S = 2,725 ± 0,167 _stat ± 0,0092 _syst, was die Bellsche Ungleichung um mehr als drei Standardabweichungen verletzt. Damit wurden versteckte Variablen erstmals für Teilchen ausgeschlossen und nicht-lokale Korrelationen als physikalische Realität nachgewiesen. Man erklärt dies quantenmechanisch damit, dass die beiden B-Mesonen, als Zerfallsprodukte des Ypsilon-Teilchens, mit einer einzigen Wellenfunktion beschrieben werden und damit in gewisser Hinsicht als ein einziges Objekt aufgefasst werden müssen.

Die ansteigende Anzahl von B-Mesonpaaren wird die Messung von Go und seinen Kollegen in naher Zukunft noch verbessern. Weitere detaillierte Studien zu Teilchen-Antiteilchen-Korrelationen sind bereits geplant, um die Grenze zwischen klassischer und Quantenphysik in weiteren Untersuchungen zu testen.

• A. Go et al., Observation of Bell Inequality violation in B mesons, Preprint.
  http://arxiv.org/abs/quant-ph/0310192
• Zeitschrift “Physik in unserer Zeit”:
  http://www.phiuz.de