Квантовый вакуум обычно считают пустым, но на самом деле это одна из самых богатых и загадочных сред во Вселенной. В нем постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы, существующие лишь доли мгновения. Теперь физики получили прямые экспериментальные доказательства того, что следы этих кратковременных процессов могут сохраняться в частицах реальной материи. Об этом сообщает журнал Nature.
Эксперимент на границе реальности и вакуума
Работа выполнена международной коллаборацией STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC в США. Ученые изучали протон-протонные столкновения при высоких энергиях и обнаружили необычную корреляцию спинов — фундаментальное квантовое свойство, связанное с магнитными свойствами частиц.
Анализ показал, что наблюдаемая корреляция не является случайной. Это напрямую связано с виртуальными парами кварк-антикварк, которые постоянно появляются и исчезают в квантовом вакууме. В условиях экстремальных энергий такие виртуальные структуры могут «проявиться» в форме реальных частиц, сохранив некоторые из своих квантовых свойств.
Вакуум как активная среда
Вопреки распространенному мнению, вакуум далеко не пуст. Оно наполнено квантовыми флуктуациями полей, в которых на короткие промежутки времени образуются связанные пары частиц и античастиц. Обычно такие виртуальные объекты невозможно захватить напрямую, поскольку они уничтожаются практически сразу.
Однако столкновения частиц на RHIC высвобождают достаточно энергии, чтобы некоторые из этих виртуальных компонентов стали частью наблюдаемой материи. Это позволило исследователям проследить связь между квантовыми флуктуациями и реальными продуктами столкновений.
Почему лямбда-гипероны?
В новом эксперименте особое внимание было уделено лямбда-гиперонам и антилямбда-частицам. Эти объекты полезны для анализа, поскольку направление их вращения можно достаточно точно восстановить по продуктам распада. Дополнительным преимуществом является то, что они содержат странный кварк или антикварк.
Виртуальные пары странных кварков в вакууме всегда образуются с согласованной ориентацией спинов. Это делает такие частицы идеальными «маркерами» для поиска квантовых корреляций, которые могли бы сохраниться после рождения реальных частиц.
Память квантового происхождения
В обычных условиях ориентация спинов частиц, возникающих при столкновениях, случайна. Поэтому ученые искали малейшие отклонения от этого хаоса – ситуации, в которой спины частиц связаны.
Проанализировав миллионы столкновений, физики обнаружили поразительный эффект. Если лямбда и антилямбда родились близко друг к другу, их спины были полностью согласованы. Эта корреляция совпадает с ориентацией спинов виртуальных пар кварк-антикварк в вакууме.
Это означает, что частицы сохраняют «память» об их общем квантовом источнике даже после перехода из виртуального состояния в реальное. Когда частицы летят на большие расстояния, эта связь постепенно нарушается взаимодействием с окружающей средой.
Шаг к пониманию природы материи
Обнаруженный эффект дает редкую возможность экспериментально изучить переход от квантового мира к классическому миру, в котором исчезают запутанность и корреляции. Наблюдение за тем, как квантовая спиновая когерентность теряется по мере удаления частиц друг от друга, дает ценную информацию о механизмах декогеренции.
В будущем новый подход может помочь ответить на один из фундаментальных вопросов современной физики: как из квантовой «пустоты» формируются масса, структура и свойства вещества, из которого формируются атомы, планеты и живые организмы. Эксперимент STAR показывает, что даже самые нестабильные вакуумные процессы могут оставить измеримое влияние на реальную материю.
