Физики проследили процесс рождения материи из «ничего»
Физики получили экспериментальные доказательства, что частицы материи, рождающиеся в высокоэнергетических столкновениях, сохраняют ключевую особенность виртуальных частиц, существующих лишь мгновения в квантовом вакууме.
Статья об открытии вышла в Nature. Оно стало результатом серии экспериментов на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Опыты показали значительную корреляцию спинов у определенных пар частиц, рождающихся в протон-протонных столкновениях на RHIC. Ученые напрямую связывают эти корреляции со спиновой ориентацией виртуальных кварк-антикварковых пар, рождающихся в квантовом вакууме. По сути, столкновения дают этим виртуальным частицам необходимый энергетический импульс, чтобы превратиться в реальные частицы, которые регистрирует детектор STAR.
«Эта работа дает нам уникальное окно в квантовый вакуум, которое может открыть новую эру в понимании, как образуется видимая материя и возникают ее фундаментальные свойства», — сказал Чжоудуньмин (Конг) Ту, физик коллаборации STAR из Брукхейвена, один из руководителей исследования.
От запутанного вакуума — к видимой материи
Уже около ста лет физикам известно, вакуум — что угодно, только не пустота. Он наполнен флуктуирующими энергетическими полями, которые могут на краткие мгновения создавать запутанные пары частиц и античастиц. Эти «виртуальные» и изначально связанные пары вспыхивают и исчезают за слишком короткие промежутки времени, чтобы считаться «реальными». Однако в высокоэнергетических протон-протонных столкновениях на RHIC некоторые из этих пар получают достаточно энергии, чтобы стать реально детектируемыми частицами.
В новом исследовании физики искали так называемые лямбда-гипероны и их аналоги из антиматерии — антилямбды. Они хотели проверить, выровнены ли спины этих частиц при рождении в столкновениях на RHIC, и если да, то в какой степени.
Лямбды идеально подходят для этих целей, потому что их спин можно определить по направлению вылета протона или антипротона при распаде. Кроме того, каждая лямбда содержит компонент, который позволяет проследить ее происхождение — так называемый странный кварк (или странный антикварк в случае антилямбды). У рождающихся в вакууме виртуальных пар странный кварк/антикварк всегда выровненный спин, а у большинства частиц, образующихся в столкновениях на RHIC, спин не задан. Если спины лямбды и антилямбды, вылетающих вместе из столкновения, параллельны — это веское доказательство, что они связаны с виртуальной парой странных кварков из вакуума.
В поисках спиновой корреляции
«Обычно в столкновениях на RHIC спины подавляющего большинства рождающихся частиц ориентированы случайным образом. Мы ищем очень малые отклонения от этого хаоса, чтобы обнаружить пары лямбда/антилямбда, чьи спины коррелированы», — пояснил физик Ян Ванек из Университета Нью-Гэмпшира, руководивший анализом данных в Брукхейвене.
Команда STAR проанализировала данные миллионов протон-протонных столкновений, тщательно исключив все возможные смещения и источники ложных сигналов. Оказалось, что когда лямбда и антилямбда рождаются в столкновении близко друг к другу, их спины оказываются на 100% параллельны — в точности как у виртуальных пар кварк-антикварк в вакууме. Значит, странный и антистранный кварки в двух отдельных лямбда-частицах изначально представляют собой единую запутанную кварк-антикварковую пару. Другими словами, кварки в двух отдельных частицах сохраняют спиновую связь, установленную в квантовом вакууме еще до образования самих лямбд.
«Это как если бы эти пары частиц начинали как квантовые близнецы. Когда они рождаются рядом друг с другом, лямбды сохраняют спиновую ориентацию виртуальных странных кварков, из которых они произошли», — заметил Ванек.
Квантовая связь
«Впервые мы можем напрямую увидеть, что кварки, составляющие эти частицы, происходят из вакуума — это прямое окно в квантовые флуктуации вакуума. Поразительно, что спиновая корреляция запутанных виртуальных кварков переживает процесс превращения в реальную материю», — сказал Ту.
Такая квантовая связь может указывать на более сильную запутанность между вновь образованными парами лямбда/антилямбда, когда свойства двух частиц остаются связанными даже при их разлете. Однако, как показали опыты, пары лямбда/антилямбда, рожденные дальше друг от друга, спиновой корреляции уже не проявляют.
«Возможно, на этих "близнецов", разлетающихся далеко друг от друга, сильнее влияет окружение — например, взаимодействия с другими кварками, — что заставляет их вести себя иначе и терять связь, — предположил Ванек. — Нужны дополнительные измерения, чтобы понять, имеем ли мы дело со смесью запутанных состояний или с более классически скоррелированной системой».
В любом случае, связь между запутанными кварками в квантовом вакууме и обычными частицами, регистрируемыми на RHIC, может дать ученым инструмент для изучения перехода от квантовых к классическим состояниям материи, доволен Ту: «По своей сути эта проблема может повлиять на другие параллельные технологические разработки, требующие изучения перехода от квантового к классическому, потому что в конечном счете физика едина».
Связь с массой и великими загадками
Понимание, как кварки превращаются из свободных сущностей в связанные частицы вроде протонов, нейтронов и гиперонов, — одна из центральных задач ядерной физики. Новый подход открывает путь к исследованию ключевых вопросов, лежащих в основе возникновения массы и структуры во Вселенной.
«В нашем эксперименте энергия, необходимая для превращения виртуальных частиц из вакуума в реальную материю, поступает от столкновений на RHIC. Теперь мы можем провести "реверс-инжиниринг", чтобы изучить этот сложный процесс», — поделился Ту.
Связь между распадами лямбд и спинами странных кварков в вакууме можно использовать для изучения образования материи в атомных ядрах — системе гораздо более сложной, чем простые протоны, нейтроны или даже гипероны.
В более широком масштабе это исследование ведет к раскрытию одной из величайших загадок человечества: «как нечто — видимая материя нашей Вселенной — связано с "ничем" вакуума», заключил исследователь.
Физики из ЦЕРНа нашли намек на неуловимую частицу — топоний
Ученые доказали, что квантовый мир можно расширить до наномасштаба
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram