Измерение под измерением: учёные нашли источник массы нашей Вселенной

Пустота оказалась не пустой. То, что классическая физика считала абсолютным вакуумом — пространством, лишённым материи, — на самом деле кипит невидимой активностью. Международная коллаборация STAR, работающая на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, впервые наблюдала, как частицы возникают непосредственно из вакуума. Это открытие подтверждает предсказание квантовой хромодинамики, сделанное десятилетия назад.

Призрачный мир под миром материи

Согласно квантовой хромодинамике — теории сильного взаимодействия, связывающего кварки внутри протонов и нейтронов, — идеальный вакуум не является по-настоящему пустым. В нём постоянно происходят флуктуации: рождаются и мгновенно исчезают так называемые виртуальные частицы, в том числе пары «кварк-антикварк». В обычных условиях эти пары существуют долю мгновения и исчезают бесследно. Но теория предсказывала: если в систему добавить достаточно энергии, виртуальные частицы могут стать реальными, обрести массу и покинуть вакуум.

Теперь это предсказание подтвердилось экспериментально.

Как учёные заставили пустоту родить

В эксперименте STAR протоны сталкивались друг с другом с огромной энергией. В результате столкновений возникал каскад частиц. Но среди этого мусора исследователи обнаружили нечто необычное: пары «кварк-антикварк», которые не могли произойти от самих протонов. Их происхождение было иным. Они родились из вакуума.

Свободные кварки не могут существовать в одиночку — они сразу же объединяются в составные частицы, называемые гиперонами. Учёные отследили эти гипероны и обнаружили ключевую улику: квантовое свойство, называемое спином. Кварки и антикварки, рождённые из вакуума, имеют коррелированные спины — общую ориентацию, отпечатанную в момент их создания. Эта корреляция сохранялась, когда кварки формировали гипероны, и не исчезала даже после того, как гипероны распадались менее чем за одну десятую миллиардной доли секунды.

«Это первый раз, когда мы увидели весь процесс», — пояснил Чжоудуньмин Ю, участник коллаборации STAR, в интервью New Scientist.

Ключ к разгадке массы

Это открытие проливает свет на одну из величайших загадок физики: откуда у частиц берётся масса. Квантовая хромодинамика предсказывает, что кварки приобретают большую часть своей массы через взаимодействия с вакуумом. Но точный механизм этого процесса оставался неясным. Новое наблюдение предоставляет экспериментальный ключ к пониманию этих вакуумных взаимодействий.

Исследователи отмечают, что результаты пока не являются окончательными — необходимо исключить другие возможные причины, вызвавшие сигнал. Будущие запуски коллайдера и дополнительные эксперименты на других установках помогут уточнить выводы.

Измерение под измерением

Открытие STAR открывает новый экспериментальный путь к изучению свойств вакуума и процесса генерации массы. Впервые учёные получили возможность напрямую наблюдать материю, рождённую из пустоты. Это не просто подтверждение теории. Это окно в измерение под измерением — туда, где заканчивается привычная материя и начинается квантовая пена, из которой она возникает.

Вопрос, который остаётся без ответа, заключается не в том, как частицы появляются из ничего. Вопрос в том, что ещё скрывается в этой пустоте, которую человечество привыкло считать пустой. И не является ли сама масса — то, что делает материю материей, — всего лишь свойством взаимодействия с невидимым миром, лежащим за пределами восприятия.