В ходе исследования удалось доказать, что реальные частицы материи, рожденные в столкновениях субатомных частиц, сохраняют ключевое свойство виртуальных частиц квантового вакуума. Эксперимент был проведен на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории США.
Ученые смогли представить доказательства существенной корреляции спинов частиц (встроенного квантового свойства, связанного с магнетизмом) между некоторыми парами частиц, возникающими в результате столкновений протонов на RHIC. Анализ показал, что столкновения RHIC дают этим виртуальным частицам энергетический импульс, необходимый им для преобразования в реальные частицы, которые удалось обнаружить в ходе эксперимента. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
Физикам давно известно, что вакуум не пуст: он наполнен флуктуационными энергетическими полями, которые могут на короткое время создавать запутанные пары частиц и их противоположностей, называемых античастицами. Эти «виртуальные» и неразрывно связанные пары «материя — антиматерия» появляются и исчезают за очень короткие промежутки времени, но никогда не существуют достаточно долго, чтобы их можно было считать «реальными». Однако при столкновении протонов на релятивистских скоростях в ускорителе RHIC некоторые из этих пар набирают достаточно энергии, чтобы стать реальными компонентами обнаруживаемых частиц.
В новом исследовании физики искали так называемые лямбда-гипероны и их антиподы — антилямбды. Они хотели выяснить, выравниваются ли спины этих частиц при столкновении на релятивистском коллайдере тяжелых ионов. 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.
Они обнаружили, что если частицы рождаются близко, 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 прямое доказательство, что материя возникает из вакуумных флуктуаций. При рождении на большем расстоянии корреляция исчезает, возможно, из-за влияния среды.
Ученые надеются, что в ближайшее время появятся еще более совершенные инструменты для изучения связи между вакуумом и массой нашей видимой Вселенной — от мельчайших субатомных компонентов до звезд, планет, галактик и даже людей.
Ранее Наука Mail рассказала о то, что ученые приблизились к пониманию и контролю поведения сложных квантовых систем.
