Физики давно изучают квантовый вакуум - особое состояние пространства, которое даже при отсутствии частиц не считается полностью пустым. В рамках квантовой теории в нем непрерывно возникают и исчезают краткоживущие пары частица-античастица. Обычно такие объекты остаются ненаблюдаемыми. Теперь исследовательская группа в США получила экспериментальные данные, которые напрямую связывают процессы в квантовом вакууме с рождением реальной материи.
Данные получила коллаборация STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Измерения выполнены на ускорительном комплексе RHIC, первом в мире коллайдере тяжелых ионов. Установка также работает с протонными пучками, которые разгоняют почти до скорости света и сталкивают друг с другом. Детектор STAR регистрирует продукты таких столкновений и позволяет восстановить свойства рожденных частиц по их распаду.
В исследовании разобрали миллионы протон протонных столкновений. Внимание сосредоточили на лямбда гиперонах и антилямбда гиперонах. Эти частицы существуют очень недолго, зато хорошо подходят для анализа спина, квантовой характеристики, связанной с магнитными свойствами. Направление спина определяют по траектории протона или антипротона, который появляется при распаде. По направлению вылета дочерней частицы вычисляют исходную ориентацию.
Квантовый вакуум описывается как состояние с флуктуациями полей, где постоянно рождаются виртуальные пары кварк-антикварк. Они живут крайне мало и в обычных условиях не фиксируются приборами. При столкновениях протонов на высоких энергиях часть таких пар получает достаточно энергии и превращается в реальные частицы. Их уже можно отследить по сигналам в детекторе.
Лямбда гиперон содержит странный кварк, а антилямбда - странный антикварк. Виртуальные пары странных кварков в вакууме появляются с согласованной ориентацией спина. Если у рожденных в столкновении лямбда и антилямбда наблюдается та же согласованность, это указывает на их общее происхождение из одной квантово связанной пары. Обычно после столкновений ориентации спинов у большинства частиц распределяются случайно, поэтому исследователи искали небольшой коррелированный эффект на фоне большого числа несвязанных событий.
Анализ показал, что пары лямбда и антилямбда, возникшие близко друг к другу, демонстрируют полное совпадение ориентаций спина. Запутанные пары в квантовом вакууме ведут себя аналогично. Когда расстояние между ними больше, согласованность исчезает. Ученые связывают потерю корреляции с дополнительными взаимодействиями с другими кварками и частицами, которые возникают в процессе столкновения.
Авторы считают, что обнаруженный эффект можно считать первым прямым экспериментальным признаком того, что такие кварки возникают именно из квантового вакуума и при рождении сохраняют исходную квантовую связь, то есть запутанность, даже после превращения в реальные наблюдаемые частицы. Вопрос о том, как квантово связанные объекты переходят к обычному, «классическому» поведению, где такие связи уже не проявляются, остается одной из главных нерешенных задач физики. От ответа зависит не только понимание того, как устроено вещество на базовом уровне, но и развитие квантовых вычислений, где запутанные состояния используют как рабочий инструмент.
Предложенный метод можно использовать и в экспериментах со столкновениями атомных ядер, а также на будущем электрон-ионном коллайдере.