Физици за първи път видяха как реални частици се раждат директно от квантовата празнота

Един от най-старите философски въпроси – „защо има нещо, а не нищо?“ – е придобил точно научно съдържание във физиката на 20-ти и 21-ви век. Квантовата теория на полето твърди, че „празното“ пространство всъщност не е празно. То гъмжи от двойки виртуални частици, които се раждат и изчезват отвъд границата на измерване. Учените знаят за това косвено от години, но сега, в проучване, публикувано в Nature и описано в New Scientist, физици от Националната лаборатория Брукхейвън за първи път директно наблюдават как реални частици се раждат от квантовия вакуум – и запазват квантов „отпечатък“ на своя произход.

Какво представлява това явление?

Квантовият вакуум не е вакуум в класическия смисъл. Според принципа на неопределеността на Хайзенберг, ако знаем много точно енергията на квантовото състояние, не можем да знаем точно кога то съществува – и обратно. Това означава, че дори в „празно“ пространство енергията може да флуктуира и тези флуктуации пораждат двойки частица-античастица, които се създават и унищожават за микроскопични части от секундата.

Тези „виртуални частици“ са реални в смисъл, че имат измерими ефекти: те влияят върху енергийните нива на атомите (ефектът на Ламб), отговорни са за ефекта на Казимир между метални пластини във вакуум и – както вече е доказано – могат да „станат реални“, ако им се даде достатъчен енергиен тласък.

Началните детайли

В RHIC протоните се ускоряват почти до скоростта на светлината и се сблъскват. При такива сблъсъци се освобождава огромна енергия — и именно тази енергия „избутва“ двойките виртуални частици от вакуума през прага на реалността. „Когато две частици се сблъскат с високи енергии, това дава на вакуума енергиен тласък. Сега виртуалните частици получават тласък, без да се анихилират обратно във вакуума“ — обяснява Джоудианмин (Конг) Ту, физик от STAR.

За да открият този процес, изследователите са търсили двойки ламбда хиперони (Λ) и антиламбди (Λ̄). Тези частици са удобни, защото техният спин – присъщо квантово свойство, свързано с магнетизма – може да се определи от естеството на техния разпад (ламбда се разпада на протон и пион за по-малко от милиардна част от секундата). Освен това, ламбдите винаги съдържат странен кварк, а антиламбдите винаги съдържат странен антикварк: тази особеност им позволява да проследят своето „родословно дърво“ до вакуумен източник, защото странните двойки кварк-антикварк във вакуум винаги се раждат с конвергентни спинове.

Екипът е анализирал милиони сблъсъци и е търсил този „малък процент“ от ламбда/антиламбда двойки, където спиновете съвпадат, в сравнение с останалите, където спиновете са случайни.

Какво показват новите наблюдения

Резултатът е изненадал дори авторите: когато ламбда и антиламбда летят една до друга, техните спинове са се оказали 100% съвместими. Никой друг механизъм, освен раждането на техните странни кварки от споделена заплетена двойка във вакуум, не може да обясни това.

„За първи път видяхме директно, че кварките в тези частици идват от вакуума – директен прозорец към флуктуациите на квантовия вакуум“ — казва Ту. „Поразително е, че спиновата ориентация на заплетените виртуални кварки се запазва по време на процеса на трансформация в реална материя.“

Когато обаче ламбда и антиламбда са далеч една от друга, спиновата корелация изчезва. Причината: на големи разстояния частиците взаимодействат с други кварки в околната среда и „забравят“ общия си произход. Този преход от квантово заплетено към класическо поведение е един от най-важните отворени въпроси във физиката.

Проучването е потвърдило 30-годишно теоретично предсказание на Дмитрий Харзеев (Stony Brook University) и колегите му относно спиновата структура на странни кваркови двойки във вакуум.

Защо това е важно за науката?

Откритието отваря вратата към една от най-дълбоките мистерии на ядрената физика: откъде идва масата на протона? Трите кварка вътре в протона представляват само 1% от неговата маса —- останалите 99% идват от взаимодействията на тези реални кварки с облаци от виртуални кварки във вакуума. Сега, когато учените могат директно да „четат“ свойствата на частиците, които излизат от вакуума, те разполагат с нов инструмент за изучаване на този процес.

„Ако можем да проследим двойка кварки от виртуална частица до реална, може би ще можем да получим известна представа за това как се генерира маса чрез взаимодействия с вакуума“ — казва Ту.

Откритието съвпада и с важно символично събитие: RHIC навърши 25-ата си година от дейността си точно в деня на публикуването. Части от съоръжението ще бъдат използвани повторно в новия електронно-йонен колайдер (EIC), който ще бъде пуснат в Брукхейвън през 30-те години на миналия век и ще изследва още по-мощно границата между вакуум и материя.

Интересни факти

Ламбда-хиперонът (Λ) — нестабилна субатомна частица, която съществува само 10⁻¹⁰ секунди (една десетомилиардна част от секундата), преди да се разпадне на протон и пион. Но именно този кратък „отпечатък“ на разпад носи информация за спина – и позволява на физиците да разчетат квантовата памет на частицата.

Странният кварк (strange quark) — един от шестте известни кварка и първият „необичаен“: той има странна маса от ~100 MeV и е ключът към това изследване, защото странните кваркови двойки във вакуум винаги се раждат с конвергентни спинове —- уникален белег на общия им вакуумен произход.

Ако съберете цялата видима материя във Вселената (звезди, планети, газове) и сравните нейната маса с масата, осигурена от кварките вътре в протоните и неутроните, се разкрива странно несъответствие: кварките осигуряват само ~1%, а останалите 99% от масата на протона произтичат от взаимодействието им с квантовия вакуум — така наречената „динамична кирална симетрия“.