На первом коллайдере тяжёлых ионов RHIC впервые увидели рождение материи из квантового вакуума

Учёные из коллаборации STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) Министерства энергетики США впервые получили экспериментальное подтверждение рождения материи из квантового вакуума. RHIC — первый в мире коллайдер тяжёлых ионов, позволяющий сталкивать ионы золота и протоны на околосветовых скоростях.

В рамках исследования физики проанализировали миллионы столкновений протонов. Особое внимание уделялось парам частиц — лямбда-гиперонам и их античастицам. Лямбда-гипероны — нестабильные частицы, распадающиеся за доли секунды, но играющие важную роль в понимании структуры материи.

Учёные реконструировали квантовый спин этих частиц, основываясь на характере их распада. Оказалось, что когда лямбда и анти-лямбда рождаются близко друг к другу, их спины идеально выровнены. Спин — собственный момент импульса элементарной частицы, имеющий квантовую природу и определяющий магнитные свойства частицы.

«Эта работа даёт нам уникальное окно в квантовый вакуум, которое может открыть новую эру в нашем понимании того, как формируется видимая материя и как возникают её фундаментальные свойства», — заявил Чжоудуньмин  Ту, физик из BNL и соавтор исследования.

Квантовый вакуум — это не пустота, а состояние с флуктуирующими энергетическими полями, в котором спонтанно возникают и исчезают виртуальные частицы и античастицы. При столкновении протонов на RHIC выделяется достаточно энергии, чтобы превратить некоторые из этих виртуальных пар кварк-антикварк в реальные частицы, которые и фиксируются детектором STAR.

Анализ спинов лямбда-гиперонов показал, что спины частиц, рождённых близко друг к другу, выровнены так же, как и спины виртуальных кварк-антикварковых пар в вакууме. Это указывает на то, что странные кварки в лямбда-гиперонах происходят из единой запутанной пары, возникшей в вакууме. Каждый лямбда-гиперон содержит странный кварк (или странный антикварк в случае анти-лямбды), что позволяет отследить его происхождение.

Учёные считают, что эффект выравнивания спинов может указывать на более глубокую квантовую запутанность между лямбда- и анти-лямбда-гиперонами. Однако, эта связь исчезает, когда частицы рождаются дальше друг от друга. Авторы работы предполагают, что на удалённые частицы сильнее влияют другие факторы, такие как взаимодействие с другими кварками.

Исследование открывает новые перспективы для изучения того, как кварки связываются в протоны, нейтроны и другие частицы. В дальнейшем этот метод может быть применён к столкновениям атомных ядер и к экспериментам на перспективном электрон-ионном коллайдере.

 Источник: Nature