Nature: Физикам впервые удалось запечатлеть рождение материи из вакуума

Американскими учёными получены экспериментальные доказательства идеи, что частицы материи, рождённые при столкновении протонов на ускорителе, способны сохранять квантовое свойство виртуальных элементов, которые существуют лишь мгновения в квантовом вакууме. Работу опубликовали в журнале Nature.

Эксперимент был организован международной коллаборацией STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC. Физикам удалось обнаружить нестандартную корреляцию спинов — квантовой характеристики, коррелирующей с магнитными свойствами, — у пар частиц, которые формируются в протон-протонных столкновениях. Анализ доказал, что это явление напрямую связано с виртуальными парами кварк–антикварк, постоянно возникающими и исчезающими в квантовом вакууме.

Вопреки распространённому заблуждению, вакуум – это не пустое пространство. В нём присутствуют флуктуации энергетических полей, где на очень короткое время формируются связанные пары частиц и античастиц. Традиционно подобные виртуальные объекты не могут обретать реальность, но при высокоэнергетических столкновениях на RHIC они приобретают необходимый энергетический импульс.

В новом исследовании ученые обратили особое внимание лямбда-гиперонам и антилямбда-частицам. Они удобны для анализа, потому что направление их спина проще восстанавливается по продуктам распада. К тому же, в них содержится странный кварк или антикварк, а эти пары в вакууме всегда обладают согласованной ориентацией спинов.

В привычных столкновениях у спинов большинства частиц ориентация случайная. Эксперты искали малейшее отклонение от этого хаоса — пары лямбда и антилямбда, имеющие спины, связанные между собой.

Экспериментаторы изучили миллионы столкновений и выяснили: если лямбда и антилямбда рождены близко друг к другу, то их спины бывают на 100% согласованными, как и у виртуальных кварк-антикварковых пар в вакууме. Это значит, что частицы обладают памятью своего общего квантового происхождения.

Но если аналогичные частицы разлетаются дальше, связь исчезает на фоне взаимодействия с окружающей средой. Этот феномен даёт редкую возможность изучения перехода от квантового мира к классическому.

Эксперты надеются, что новый подход позволит глубже понять один из базовых вопросов современной физики — как именно из квантовой «пустоты» формируется масса и структура вещества, составляющего атомы, планеты и живые существа.