Вакуум выдал секрет: как небытие становится материей

Квантовый вакуум принято представлять пустотой, но на самом деле это одна из самых насыщенных и загадочных сред во Вселенной. В нём непрерывно рождаются и исчезают виртуальные частицы, существующие лишь доли мгновения. Теперь физики получили прямые экспериментальные доказательства того, что следы этих кратковременных процессов могут сохраняться и в реальных частицах материи. Об этом сообщает журнал Nature.

Эксперимент на границе реальности и вакуума

Работа была выполнена международной коллаборацией STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC в США. Учёные исследовали протон-протонные столкновения при высоких энергиях и обнаружили необычную корреляцию спинов — фундаментального квантового свойства, связанного с магнитными характеристиками частиц.

Анализ показал, что наблюдаемая корреляция не является случайной. Она напрямую связана с виртуальными парами кварк-антикварк, которые постоянно возникают и исчезают в квантовом вакууме. В условиях экстремальных энергий такие виртуальные структуры получают возможность "проявиться" в виде реальных частиц, сохранив часть своих квантовых свойств.

Вакуум как активная среда

Вопреки распространённому представлению, вакуум далёк от пустоты. Он наполнен квантовыми флуктуациями полей, в которых на короткое время формируются связанные пары частиц и античастиц. Обычно такие виртуальные объекты не могут быть напрямую зафиксированы, так как почти мгновенно аннигилируют.

Однако при столкновениях частиц на RHIC выделяется энергия, достаточная для того, чтобы некоторые из этих виртуальных компонентов стали частью наблюдаемой материи. Именно это позволило исследователям проследить связь между квантовыми флуктуациями и реальными продуктами столкновений.

Почему именно лямбда-гипероны

В новом эксперименте особое внимание было уделено лямбда-гиперонам и антилямбда-частицам. Эти объекты удобны для анализа, поскольку направление их спина можно достаточно точно восстановить по продуктам распада. Дополнительное преимущество заключается в том, что они содержат странный кварк или антикварк.

Виртуальные пары странных кварков в вакууме всегда формируются с согласованной ориентацией спинов. Это делает такие частицы идеальными "маркерами" для поиска квантовых корреляций, которые могли сохраниться после рождения реальных частиц.

Память о квантовом происхождении

В обычных условиях ориентация спинов частиц, возникающих при столкновениях, носит случайный характер. Поэтому учёные искали малейшие отклонения от этого хаоса — ситуации, когда спины частиц оказываются связаны между собой.

Проанализировав миллионы столкновений, физики обнаружили поразительный эффект. Если лямбда и антилямбда рождались близко друг к другу, их спины оказывались полностью согласованными. Такая корреляция совпадает с ориентацией спинов виртуальных кварк-антикварковых пар в вакууме.

Это означает, что частицы сохраняют "память" о своём общем квантовом источнике, даже после перехода из виртуального состояния в реальное. Когда же частицы разлетаются на большие расстояния, эта связь постепенно разрушается из-за взаимодействия с окружающей средой.

Шаг к пониманию природы материи

Обнаруженный эффект открывает редкую возможность экспериментально изучать переход от квантового мира к классическому, в котором запутанность и корреляции исчезают. Наблюдение того, как квантовая согласованность спинов теряется по мере удаления частиц друг от друга, даёт ценные подсказки о механизмах декогеренции.

В перспективе новый подход может помочь ответить на один из фундаментальных вопросов современной физики — как из квантовой "пустоты" формируются масса, структура и свойства вещества, из которого состоят атомы, планеты и живые организмы. Эксперимент STAR показывает, что даже самые мимолётные процессы вакуума способны оставлять измеримый след в реальной материи.