Физики из международной коллаборации STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) представили экспериментальные доказательства прямого перехода квантового вакуума в реальную материю. Исследование, проведённое на первом в мире коллайдере релятивистских тяжёлых ионов (RHIC), открывает новую эпоху в понимании того, как формируется видимая материя Вселенной из, казалось бы, пустого пространства.
Согласно квантовой теории, вакуум — это не пустота, а пространство, заполненное флуктуирующими энергетическими полями, порождающими связанные (запутанные) пары виртуальных частиц и античастиц. Эти пары существуют столь недолго, что их невозможно наблюдать напрямую. Однако в условиях мощнейших столкновений протонов на скоростях, близких к скорости света, которые происходят внутри RHIC, виртуальные частицы могут получить достаточную энергию, чтобы стать реальными и обнаруживаемыми.
Учёные проанализировали миллионы протон-протонных столкновений, уделив особое внимание парам короткоживущих частиц — лямбда-гиперонов и их двойников из антиматерии, антилямбда-гиперонов. Эти частицы идеально подходят для изучения, так как направление их квантового спина (свойства, связанного с магнетизмом) можно восстановить, наблюдая за продуктами их распада. В ходе анализа было обнаружено, что когда лямбда и антилямбда рождаются в столкновении близко друг к другу, их спины оказываются идеально сонаправленными.
Эта корреляция спинов является ключевым открытием. Виртуальные пары странных кварк-антикварков в вакууме изначально рождаются со спинами, «запутанными» и выровненными. Обнаружение того же выравнивания у реальных лямбда-гиперонов, содержащих странные кварки, прямо указывает на то, что эти частицы родились именно из такой запутанной виртуальной пары из вакуума.
«Это потрясающе — видеть, как спиновая корреляция запутанных виртуальных кварков сохраняется в процессе превращения в реальную материю», — отметил один из руководителей исследования, физик Брукхейвенской лаборатории Чжоудунмин (Конг) Ту.
Интересно, что обнаруженный эффект квантовой связи исчезает, когда частицы рождаются в столкновении на большем расстоянии друг от друга, вероятно, из-за влияния окружающей среды и взаимодействия с другими кварками. Это наблюдение позволяет изучать переход от квантового поведения к классическому — один из фундаментальных нерешённых вопросов науки.
Полученные результаты предоставляют принципиально новый метод исследования того, как кварки связываются в протоны, нейтроны и другие частицы, буквально показывая, как «нечто» — видимая материя — возникает из «ничего» квантового вакуума. Данная методика будет применяться и в будущих экспериментах на строящемся Электрон-ионном коллайдере.