Участники научной коллаборации STAR, работающие на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) при Министерстве энергетики США, представили первые экспериментальные доказательства процесса формирования материи из квантового вакуума. Установка RHIC остается единственным в своем роде ускорителем, позволяющим изучать столкновения ионов золота и протонов на скоростях, предельно близких к скорости света.
В ходе масштабного анализа ученые обработали данные о миллионах протонных столкновений, сосредоточив внимание на специфических парах — лямбда-гиперонах и соответствующих им античастицах. Несмотря на то что лямбда-гипероны существуют лишь доли секунды до своего распада, они являются ключевым ключом к пониманию фундаментальных основ строения вещества.
Исследователям удалось реконструировать квантовый спин этих частиц, анализируя геометрию их распада. Выяснилось, что при рождении лямбда- и анти-лямбда-частиц в непосредственной близости друг от друга их спины демонстрируют идеальную сонаправленность. Напомним, что спин представляет собой фундаментальный квантовый момент импульса, определяющий магнитные и энергетические параметры элементарной частицы.
«Данное исследование открывает перед наукой уникальную возможность заглянуть в природу квантового вакуума. Это может ознаменовать начало новой эпохи в изучении того, как именно конструируется видимая материя и откуда возникают её базовые физические характеристики», — подчеркнул Чжоудуньмин Ту, физик из BNL и ведущий соавтор работы.
Современная физика рассматривает квантовый вакуум не как пустоту, а как динамическую среду с флуктуирующими энергетическими полями, в которой непрерывно рождаются и исчезают виртуальные пары частиц и античастиц. Энергия, высвобождаемая при столкновении протонов на RHIC, оказывается достаточной для того, чтобы трансформировать эти эфемерные виртуальные пары кварков и антикварков в реальные физические объекты, регистрируемые детектором STAR.
Сравнительный анализ показал, что ориентация спинов лямбда-гиперонов, родившихся рядом, идентична спинам виртуальных пар в вакууме. Это прямое свидетельство того, что странные кварки в составе гиперонов происходят из единой квантово-запутанной системы, возникшей в вакуумной среде. Поскольку каждый лямбда-гиперон содержит странный кварк (или антикварк), это позволяет ученым с высокой точностью отслеживать его генезис.
Физики предполагают, что эффект сонаправленности указывает на глубокую квантовую связь (запутанность) между частицей и античастицей. Примечательно, что эта связь утрачивается, если частицы рождаются на значительном удалении друг от друга. По мнению авторов, в таких случаях на характеристики частиц начинают доминирующее влияние оказывать сторонние факторы, включая взаимодействие с другими кварками.
Данный научный прорыв создает фундамент для более глубокого изучения механизмов связывания кварков в протоны, нейтроны и более сложные структуры. В ближайшем будущем эта методика найдет применение в экспериментах со столкновениями атомных ядер, а также в исследованиях на проектируемом электрон-ионном коллайдере.
Источник: iXBT
