Ученые из США получили экспериментальные подтверждения того, что частицы материи, возникающие при столкновениях протонов на ускорителе, сохраняют квантовые свойства виртуальных частиц, которые существуют лишь доли мгновения в квантовом вакууме. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Работу выполнила международная коллаборация STAR на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC. Физики зафиксировали необычную корреляцию спинов у пар частиц, рождающихся в протон-протонных столкновениях. Анализ показал, что эта связь напрямую отражает свойства виртуальных пар кварк–антикварк, которые постоянно возникают и исчезают в квантовом вакууме.
Ученые напоминают, что вакуум в физике не является пустотой. Он заполнен флуктуациями энергетических полей, в которых на чрезвычайно короткое время появляются связанные пары частиц и античастиц. В обычных условиях такие виртуальные объекты не наблюдаемы, однако при высокоэнергетических столкновениях на RHIC они могут получить достаточный импульс, чтобы проявить свои свойства в реальных частицах.
В центре исследования оказались лямбда-гипероны и антилямбда-частицы. Эти объекты удобны для анализа, поскольку направление их спина можно восстановить по продуктам распада. Кроме того, они содержат странный кварк или антикварк, а такие виртуальные пары в вакууме всегда имеют согласованную ориентацию спинов.
Руководивший анализом данных физик Ян Ванек пояснил, что в большинстве столкновений спины частиц ориентированы хаотично, и задача ученых заключалась в поиске слабого отклонения от этой случайности. Обработка миллионов событий показала, что если лямбда и антилямбда рождаются на малом расстоянии друг от друга, их спины оказываются полностью согласованными, как у виртуальных кварк-антикварковых пар.
При увеличении расстояния между частицами эта корреляция исчезает, вероятно, из-за взаимодействия с окружающей средой. По словам авторов, такие наблюдения дают редкую возможность проследить, как квантовые свойства переходят в классическое поведение.
Исследователи считают, что новый подход поможет лучше понять фундаментальный процесс формирования массы и структуры вещества, возникающего из квантовой «пустоты», и пролить свет на один из ключевых вопросов современной физики.
