Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории в ходе экспериментов на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) получили экспериментальные доказательства прямого влияния квантового вакуума на формирование наблюдаемой материи. Работа, опубликованная в журнале Nature, проведена коллаборацией STAR и демонстрирует, как виртуальные частицы из вакуума, обладая ключевыми квантовыми свойствами, могут превращаться в реальные частицы, составляющие основу физического мира.
Физическая суть открытия заключается в обнаружении сильной корреляции спинов (собственного момента импульса, связанного с магнетизмом) между лямбда-гиперонами и антилямбда-гиперонами, рождающимися в результате протон-протонных столкновений. Эта корреляция спинов напрямую связана с исходным выравниванием спинов виртуальных пар кварк-антикварк, постоянно рождающихся и аннигилирующих в квантовом вакууме. Энергия столкновений в RHIC дает этим виртуальным парам необходимый импульс, чтобы преодолеть мимолетное существование и стать реальными, регистрируемыми частицами.
Важнейшим элементом эксперимента стал выбор лямбда-гиперонов. Эти частицы содержат так называемый странный кварк (или странный антикварк для античастицы), что позволяет проследить их происхождение. Направление спина лямбда-частицы можно определить по углу вылета протона от ее распада. Ключевым предсказанием было то, что виртуальные пары странный кварк – странный антикварк в вакууме всегда рождаются со спинами, выровненными определенным образом. Если рожденные в столкновении лямбда и антилямбда сохранят эту корреляцию, это станет прямым свидетельством их происхождения из вакуумной флуктуации.
Руководитель анализа данных Ян Ванек пояснил, что задача состояла в обнаружении крайне слабого сигнала на фоне подавляющего большинства частиц со случайно ориентированными спинами. После тщательной обработки данных миллионов столкновений и исключения всех возможных фоновых эффектов был обнаружен четкий результат. Когда лямбда и антилямбда рождались в непосредственной близости друг от друга, их спины демонстрировали стопроцентную корреляцию, в точности соответствующую выравниванию спинов виртуальной кварк-антикварковой пары. Это доказывает, что странные кварки в этих двух независимо регистрируемых частицах изначально были единой запутанной парой в квантовом вакууме, сохранившей свою связь в процессе превращения в реальную материю.
Физик проекта STAR Чжоудунмин (Конг) Ту подчеркнул революционность этого достижения: впервые удалось непосредственно проследить происхождение кварков в регистрируемых частицах из вакуумных флуктуаций, получив прямой доступ к изучению квантового вакуума.
Дальнейший анализ показал, однако, что при рождении пары лямбда-антилямбда на большем расстоянии друг от друга корреляция их спинов исчезает. Это указывает на то, что на большем масштабе квантовая запутанность может разрушаться из-за взаимодействий с окружающей средой – другими кварками и глюонами, рожденными в столкновении. Данное наблюдение открывает уникальную возможность исследовать переход от квантового мира с его запутанностью к классическому поведению частиц. Эта фундаментальная проблема имеет прямое отношение к развитию квантовых технологий и квантовых вычислений.
Теоретическая и практическая значимость работы многогранна. Она предлагает принципиально новый метод исследования квантового вакуума – не как пустоты, а как динамической среды, являющейся источником материи. Кроме того, подход позволяет изучать процесс «обратного проектирования»: наблюдая за свойствами реальных частиц, таких как лямбда-гипероны, можно судить о поведении и свойствах виртуальных пар в вакууме. Как пояснил Ту, это похоже на отправку «квантовых близнецов» – виртуальных пар кварк-антикварк – через различные ядерные среды (например, в столкновениях тяжелых ионов), чтобы наблюдать, как их взаимосвязь эволюционирует по мере превращения в «взрослые» частицы.
Это направление исследований будет продолжено на текущем RHIC, а в будущем получит мощное развитие на строящемся в Брукхейвене Электрон-ионном коллайдере (EIC). EIC, использующий инфраструктуру RHIC, предоставит еще более точные инструменты для изучения связи между вакуумом, массой и структурой видимой Вселенной.
В более широком философском контексте данное исследование приближает науку к разгадке одной из величайших тайн: каким образом наблюдаемая материя, включая звезды, планеты и жизнь, фундаментальным образом связана с «ничто» квантового вакуума, открывая новую эру в понимании формирования материи и ее фундаментальных свойств.