Первое прямое свидетельство: материя рождается из «ничего» квантового вакуума

В рамках фундаментального эксперимента на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории международной коллаборацией STAR получены данные, которые могут изменить представление о происхождении материи. Физикам впервые удалось зафиксировать превращение виртуальных частиц из флуктуирующего квантового вакуума в реальные, обнаруживаемые частицы материи.

Квантовый вакуум: не пустота, а «кипящий бульон» частиц

Согласно современным представлениям квантовой хромодинамики (КХД) — теории сильного взаимодействия, — вакуум не является абсолютной пустотой. Он обладает сложной структурой и характеризуется флуктуирующими энергетическими полями и так называемым конденсатом виртуальных пар кварк-антикварк. Эти пары постоянно рождаются и аннигилируют, не нарушая принципов сохранения, оставаясь ненаблюдаемыми в обычных условиях. Этот процесс — проявление энергии вакуумных флуктуаций. Один из ключевых нерешённых вопросов физики — как именно из этого виртуального «ничего» возникает привычная нам масса и структура материи.

Эксперимент: столкновения, высвобождающие реальность

Чтобы пролить свет на эту загадку, учёные в коллаборации STAR анализировали результаты миллионов столкновений протонов, разогнанных до околосветовых скоростей. Колоссальная энергия таких столкновений действует как катализатор, «вырывая» виртуальные пары кварк-антикварк из вакуума и переводя их в реальное, наблюдаемое состояние. Впоследствии эти кварки подвергаются конфайнменту (удержанию) — фундаментальному процессу, благодаря которому кварки не существуют в свободном виде, а всегда связываются, образуя составные частицы — адроны.

«Квантовые близнецы»: ключ к разгадке

Особое внимание исследователи уделили образованию в столкновениях пар так называемых лямбда-гиперонов (Λ) и их античастиц. Эти частицы содержат странный кварк. При обычном рождении в столкновениях спины (собственные моменты вращения) таких частиц ориентированы случайным образом.
Однако анализ данных STAR выявил уникальный феномен: когда гиперон и антигиперон рождались в непосредственной близости друг от друга, их спины оказывались чётко согласованными, продольно поляризованными. Измеренная относительная поляризация составила статистически значимые (18 ± 4)%. Эта сильная корреляция служит своего рода «квантовым отпечатком пальца». Она доказывает, что данные пары частиц унаследовали взаимосвязь от исходной виртуальной пары кварк-антикварк, которая уже была спин-скоррелирована в момент своего рождения из вакуума.

Важным подтверждением квантовой природы эффекта стало его исчезновение, когда пары гиперонов рождались далеко друг от друга в пространстве. Это согласуется с явлением декогеренции — разрушением квантовых корреляций при взаимодействии с окружением.

Мост между вакуумом и материей

Обнаруженная спиновая корреляция — это прямое экспериментальное свидетельство того, что связь между частицами, возникающая в квантовом вакууме, может сохраняться через весь процесс трансформации в реальные адроны. Иными словами, свойства рождённой материи несут в себе отпечаток её происхождения из виртуального состояния. Это прорывное наблюдение создаёт «мост» между абстрактными вакуумными флуктуациями и наблюдаемыми свойствами вещества.

Перспективы: к разгадке величайших тайн материи

Данное открытие предоставляет учёным новую экспериментальную модель для исследования глубочайших механизмов мироздания. Наблюдение за «квантовыми близнецами», рождёнными из вакуума, открывает уникальное окно в динамику конфайнмента — процесса удержания кварков, который до сих пор не имеет полного теоретического описания в рамках непертурбативной КХД.
Это может стать ключом к решению фундаментальных загадок происхождения массы и спина адронов. Например, известно, что масса протона, состоящего из трёх лёгких кварков, в сотни раз превышает сумму их собственных масс. Основной вклад в массу даёт именно энергия взаимодействия, связанная с конфайнментом. Новый метод наблюдения может помочь понять, как именно энергия вакуума и сильного взаимодействия материализуется в массу.

Таким образом, эксперимент STAR не просто фиксирует рождение частиц из «ничего». Он предлагает инструмент для изучения того, как фундаментальные свойства нашей Вселенной — масса, спин, структура материи — возникают из квантовой пены вакуума, открывая путь к новому пониманию природы реальности.