Nature: зафиксировано, как виртуальные частицы вакуума превращаются в материю

Учёные из США получили экспериментальные доказательства того, что частицы материи, рождающиеся при столкновениях протонов на ускорителе, сохраняют квантовое свойство виртуальных частиц, существующих лишь мгновения в так называемом квантовом вакууме. Работа опубликована в журнале Nature.

Исследование провела международная коллаборация STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC.

Физики обнаружили необычную корреляцию спинов — квантовой характеристики, связанной с магнитными свойствами, — у пар частиц, возникающих в протон-протонных столкновениях. Анализ показал, что эта корреляция напрямую связана с виртуальными парами кварк–антикварк, которые постоянно возникают и исчезают в квантовом вакууме.

Вопреки бытовым представлениям, вакуум не является пустым пространством. Он заполнен флуктуациями энергетических полей, в которых на очень короткое время возникают связанные пары частиц и античастиц. Обычно такие виртуальные объекты не могут стать "реальными", но в условиях высокоэнергетических столкновений на RHIC они получают необходимый энергетический импульс.

В новом исследовании ученые сосредоточились на лямбда-гиперонах и антилямбда-частицах. Эти частицы удобны для анализа, поскольку направление их спина можно восстановить по продуктам распада. Кроме того, они содержат странный кварк или антикварк — именно такие пары в вакууме всегда имеют согласованную ориентацию спинов.

"В обычных столкновениях спины большинства частиц ориентированы случайно. Мы искали крошечное отклонение от этого хаоса — пары лямбда и антилямбда, у которых спины связаны между собой", — пояснил физик Ян Ванек, руководивший анализом данных.

Изучив миллионы столкновений, исследователи обнаружили, что если лямбда и антилямбда рождаются близко друг к другу, их спины оказываются на 100% согласованными — точно так же, как у виртуальных кварк-антикварковых пар в вакууме. Это означает, что частицы "помнят" свое общее квантовое происхождение.

"Это словно квантовые близнецы. Они начинают свой путь как одна связанная пара, и при рождении рядом сохраняют спиновую связь виртуальных кварков", — отметил Ванек.

Когда же такие частицы разлетаются дальше, корреляция исчезает — вероятно, из-за взаимодействия с окружающей средой. По словам авторов, это даёт редкую возможность изучать переход от квантового мира к классическому.

Ученые считают, что новый подход поможет разобраться в одном из ключевых вопросов современной физики — как из квантовой "пустоты" возникает масса и структура вещества, из которого состоят атомы, планеты и, в конечном счете, мы сами.