Учёные из коллаборации STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) Министерства энергетики США впервые получили экспериментальное подтверждение рождения материи из квантового вакуума. RHIC — первый в мире коллайдер тяжёлых ионов, позволяющий сталкивать ионы золота и протоны на околосветовых скоростях.
В рамках исследования физики проанализировали миллионы столкновений протонов. Особое внимание уделялось парам частиц — лямбда-гиперонам и их античастицам. Лямбда-гипероны — нестабильные частицы, распадающиеся за доли секунды, но играющие важную роль в понимании структуры материи.
Учёные реконструировали квантовый спин этих частиц, основываясь на характере их распада. Оказалось, что когда лямбда и анти-лямбда рождаются близко друг к другу, их спины идеально выровнены. Спин — собственный момент импульса элементарной частицы, имеющий квантовую природу и определяющий магнитные свойства частицы.
«Эта работа даёт нам уникальное окно в квантовый вакуум, которое может открыть новую эру в нашем понимании того, как формируется видимая материя и как возникают её фундаментальные свойства», — заявил Чжоудуньмин Ту, физик из BNL и соавтор исследования.
Квантовый вакуум — это не пустота, а состояние с флуктуирующими энергетическими полями, в котором спонтанно возникают и исчезают виртуальные частицы и античастицы. При столкновении протонов на RHIC выделяется достаточно энергии, чтобы превратить некоторые из этих виртуальных пар кварк-антикварк в реальные частицы, которые и фиксируются детектором STAR.
Анализ спинов лямбда-гиперонов показал, что спины частиц, рождённых близко друг к другу, выровнены так же, как и спины виртуальных кварк-антикварковых пар в вакууме. Это указывает на то, что странные кварки в лямбда-гиперонах происходят из единой запутанной пары, возникшей в вакууме. Каждый лямбда-гиперон содержит странный кварк (или странный антикварк в случае анти-лямбды), что позволяет отследить его происхождение.
Учёные считают, что эффект выравнивания спинов может указывать на более глубокую квантовую запутанность между лямбда- и анти-лямбда-гиперонами. Однако, эта связь исчезает, когда частицы рождаются дальше друг от друга. Авторы работы предполагают, что на удалённые частицы сильнее влияют другие факторы, такие как взаимодействие с другими кварками.
Исследование открывает новые перспективы для изучения того, как кварки связываются в протоны, нейтроны и другие частицы. В дальнейшем этот метод может быть применён к столкновениям атомных ядер и к экспериментам на перспективном электрон-ионном коллайдере.