Современная квантовая физика уже более века доказывает: абсолютной пустоты в нашем мире не существует. Даже сама «пустота» наполнена невидимыми энергетическими полями, которые беспрестанно порождают пары элементарных частиц и их антиподов, называемых виртуальными. Эти крошечные объекты так быстро появляются и исчезают, что обычно не успевают проявиться в реальности, словно тени за гранью видимого мира. В стандартных условиях они недоступны прямому наблюдению — энергия их колебаний слишком мала.
Однако, если пространство пронизывает мощный поток энергии, ситуация кардинально меняется. Подобные скачки превращают виртуальных частиц в реальные, при этом таинственные флуктуации становятся источником осязаемой материи. Именно это загадочное явление легло в основу крупного эксперимента, проведённого коллаборацией STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в знаменитой Брукхейвенской национальной лаборатории.
Как квантовый вакуум рождает новые частицы?
В течение многих лет у физиков оставался важный вопрос: унаследуют ли реальные частицы свойства своих виртуальных «родителей» или после «воплощения» начнут жизнь с чистого листа? Для поиска ответа команда учёных погрузилась в тщательный анализ колоссального массива данных, полученных в RHIC.
В центре внимания оказались необычные элементарные частицы — лямбда-гипероны и их антиподы. Для их появления специалисты сталкивали протоны на скоростях, близких к скорости света, что создавало условия, схожие с огромным энергетическим бурей в микромире.
Особенность лямбда-гиперонов: странные кварки и спины
Почему выбор пал именно на лямбда-гипероны? Всё дело в их составе: внутри этих частиц «прячутся» странные кварки — фундаментальные строительные блоки материи. Виртуальные пары таких кварков и антикварков в вакууме всегда обладают согласованными спинами, то есть их микроскопические магнитные моменты идеально синхронизированы.
Если при переходе из виртуального состояния в реальное, этот спиновый порядок сохраняется, значит материальные лямбда-гипероны будут «наследовать» свойства своих призрачных предшественников. Учёные воспользовались фактом, что направление спина лямбда-гиперонов можно надёжно определить благодаря особенностям распада их потомков. Это позволило отследить корреляции в поведении новых частиц.
Удивительные результаты эксперимента STAR
Анализируя миллионы событий, команда обнаружила: если лямбда-гиперон и его антипод рождаются близко друг к другу, то их спины полностью синхронизированы — буквально на 100%. Это невероятный показатель! Оказалось, свойства странных кварков внутри родившихся частиц действительно продолжают «память» виртуальной пары из вакуума. Таким образом, впервые стало возможным наблюдать прямую связь между квантовыми флуктуациями вакуума и нашими привычными элементарными частицами.
Но когда расстояние между частицами увеличивалось, это магическое согласование исчезало. На больших дистанциях частицы успевали вступить во взаимодействие с окружающей средой, их спиновые состояния становились хаотичными, теряли изначальную синхронизацию. Тем не менее, именно на малых расстояниях вновь и вновь фиксировалась эффектная «родственная» связь: частицы вели себя как квантовые близнецы.
Открытие, открывающее новые горизонты
Этот результат дал науке убедительные доказательства, что между невидимыми свойствами квантового вакуума и реальной материей существует прямая, фундаментальная связь. Его важность трудно переоценить, ведь понимание этого механизма лежит в самом основании теории о том, как материя формируется из энергии — основного процесса, определяющего эволюцию Вселенной.
Поразительно, но именно момент рождения из «ничего» обеспечивает частицам заметную массу. Кварки практически невесомы, но когда они образуют протоны и нейтроны, большая часть их массы возникает за счёт энергии взаимодействий, развернувшихся в акте появления материи из вакуума. Благодаря эксперименту STAR, у учёных появился новый эффективный инструмент изучения этих процессов.
Будущее исследований: реконструкция механизмов рождения Вселенной
Сегодня специалисты могут применять обнаруженные спиновые корреляции для тщательного анализа того, как именно виртуальные частицы «материализуются» и становятся кирпичиками мироздания. Использование методов обратной инженерии открывает перспективы для объяснения преобразования энергии в массу на всех уровнях — от субатомных частиц до масштабов галактик.
Открытие предвещает значительный прогресс: шире раскрывается перед нами дверь в понимание устройства Вселенной, а материалы, полученные благодаря Релятивистскому коллайдеру тяжелых ионов, уже сегодня вдохновляют учёных на новые смелые проекты. Изучение квантового вакуума, виртуальных частиц и их «проявленных» потомков обещает привести к ещё более потрясающим открытиям, укрепляя веру в могущество человеческого разума и удивительные возможности науки будущего!
Источник: naked-science.ru
