Фізики вперше побачили, як реальні частинки народжуються прямо з квантової порожнечі

Одне з найдавніших філософських питань — «чому існує щось, а не ніщо?» — набуло в фізиці XX–XXI століть точного наукового змісту. Квантова теорія поля стверджує: «порожній» простір насправді не порожній. Він кипить парами віртуальних частинок, що народжуються і зникають за межею вимірювань. Вчені знали про це непрямо роками. Але тепер, у дослідженні, опублікованому в Nature і описаному в New Scientist, фізики з Брукхейвенської національної лабораторії вперше безпосередньо простежили, як реальні частинки народжуються із квантового вакууму — і зберігають у собі квантовий «відбиток» свого походження.

Що відомо коротко

• Дослідження проводила колаборація STAR на відносистичному колайдері важких іонів RHIC (Brookhaven National Laboratory, Нью-Йорк)
• Вчені зіткнули протони майже зі швидкістю світла і шукали специфічні частинки — лямбда-гіперони і їх антиматерійні копії, антилямбди
• Коли лямбда і антилямбда вилітали з зіткнення поруч, їхні спіни виявились 100% узгодженими — точно як у кварк-антикваркових пар, що народжуються у вакуумі
• Це означає: дивний кварк у кожній лямбді прийшов безпосередньо з квантового вакууму — «успадкувавши» спінову орієнтацію свого джерела
• Відкриття підтверджує 30-річне теоретичне передбачення і відкриває нове вікно у розуміння того, звідки береться маса видимої матерії

Що це за явище

Квантовий вакуум — не пустота в класичному сенсі. Згідно з принципом невизначеності Гейзенберга, якщо ми знаємо енергію квантового стану дуже точно, ми не можемо знати точно, коли він існує — і навпаки. Це означає: навіть у «порожньому» просторі енергія може флуктуювати, і ці флуктуації породжують пари частинка-античастинка, які народжуються і зникають за мікроскопічні частки секунди.

Ці «віртуальні частинки» реальні у тому сенсі, що мають вимірювані ефекти: вони впливають на енергетичні рівні атомів (ефект Лемба), відповідають за ефект Казіміра між металевими пластинами у вакуумі, і — як тепер доведено — можуть «стати реальними», якщо отримати достатній енергетичний поштовх.

Деталі відкриття

На RHIC протони розганяли майже до швидкості світла і зіштовхували. При таких зіткненнях вивільняється колосальна енергія — і саме вона «штовхає» пари віртуальних частинок із вакууму через поріг реальності. «Коли дві частинки зіштовхуються з великими енергіями, це дає вакууму енергетичний поштовх. Тепер віртуальні частинки отримують поштовх, не анігілюючи назад у вакуум», — пояснює Чжоуд’єнмін (Конг) Ту, фізик STAR.

Щоб виявити цей процес, дослідники шукали пари лямбда-гіперонів (Λ) і антилямбд (Λ̄). Ці частинки зручні тим, що їхній спін — внутрішня квантова властивість, пов’язана з магнетизмом, — можна визначити через характер їхнього розпаду (лямбда розпадається на протон і піон за менш ніж мільярдну частку секунди). Крім того, лямбда завжди містить дивний кварк, а антилямбда — дивний антикварк: і саме ця риса дозволяє простежити їхнє «родоводо» аж до вакуумного джерела, бо дивні кварко-антикваркові пари у вакуумі завжди народжуються зі збіжними спінами.

Команда проаналізувала мільйони зіткнень і шукала той «крихітний відсоток» лямбда/антилямбда-пар, де спіни збігаються, — на фоні решти, де спіни випадкові.

Що показали нові спостереження

Результат вразив навіть авторів: коли лямбда і антилямбда вилітали поряд один з одним, їхні спіни виявились 100% узгодженими. Жодного іншого механізму, крім народження їхніх дивних кварків зі спільної ентанглованої пари у вакуумі, пояснити це не може.

«Вперше ми безпосередньо побачили, що кварки в цих частинках приходять із вакууму — це пряме вікно у флуктуації квантового вакууму», — наголошує Ту. — «Вражає, що спінова орієнтація заплутаних віртуальних кварків зберігається через процес перетворення у реальну матерію».

Однак коли лямбда і антилямбда вилітали далеко одна від одної, спінова кореляція зникала. Причина: на великих відстанях частинки взаємодіяли з іншими кварками у середовищі і «забували» своє спільне походження. Цей перехід від квантово-заплутаної поведінки до класичної — один із найважливіших відкритих питань фізики.

Дослідження підтвердило 30-річне теоретичне передбачення Дмитра Харзєєва (Stony Brook University) і колег щодо спінової структури дивних кваркових пар у вакуумі.

Чому це важливо для науки

Відкриття відкриває шлях до однієї з найглибших загадок ядерної фізики: звідки береться маса протона? Три кварки всередині протона дають лише 1% від його маси — решта 99% виникає через взаємодію цих реальних кварків із хмарами віртуальних кварків у вакуумі. Тепер, коли вчені можуть безпосередньо «читати» властивості частинок-вихідців із вакууму, з’являється новий інструмент для вивчення цього процесу.

«Якщо ми можемо простежити пару кварків від віртуальної частинки до реальної, можливо, ми зможемо отримати певне розуміння того, як маса генерується через взаємодію з вакуумом», — каже Ту.

Це відкриття також збіглося з важливою символічною подією: RHIC завершив свою 25-річну роботу саме в день публікації. Частини установки будуть перевикористані у новому Electron-Ion Collider (EIC), який запускатиметься в Брукхейвені у 2030-х роках і ще більш потужно досліджуватиме зв’язок вакууму і матерії.

Про те, як схожий підхід — видобування частинок із порожнечі, але за допомогою лазера — намагаються реалізувати в лабораторії SLAC, читайте у матеріалі «Фізики навчилися добувати частинки з порожнечі». А про те, як квантові алгоритми вже зараз допомагають моделювати матерію Всесвіту — у матеріалі «Квантові алгоритми розкривають таємниці матерії Всесвіту». Про квантову заплутаність і природу реальності — у матеріалі «Виявилося, наша реальність — лише один зі світів квантового мультивсесвіту».

Цікаві факти

• Лямбда-гіперон (Λ) — нестабільна субатомна частинка, яка живе лише 10⁻¹⁰ секунди (одну десятимільярдну секунди) перш ніж розпастись на протон і піон. Але саме цей короткий «відбиток» розпаду несе в собі інформацію про спін — і дозволяє фізикам читати квантову пам’ять частинки
• Дивний кварк (strange quark) — один із шести відомих кварків і перший «небуденний»: у ньому є дивна маса ~100 МеВ, і саме він є ключем у цьому дослідженні, бо дивні кваркові пари у вакуумі завжди народжуються зі збіжними спінами — унікальна підпис їхнього спільного вакуумного походження
• Якщо скласти всю видиму матерію Всесвіту (зірки, планети, гази) і порівняти її масу з масою, яку дають кварки всередині протонів і нейтронів, виявляється дивна невідповідність: кварки дають лише ~1%, а інші 99% маси протону виникає через їхню взаємодію з квантовим вакуумом — так звана «динамічна хіральна симетрія»
• Релятивістський колайдер важких іонів RHIC мав колову довжину 3,83 кілометри і прискорював частинки до 99,995% швидкості світла. За 25 років роботи він дозволив відтворити стан матерії через мікросекунди після Великого вибуху та виявив кварк-глюонну плазму — речовину, з якої, ймовірно, складався весь ранній Всесвіт

FAQ

Що означає «матерія з порожнечі» в науковому сенсі? Це не порушення закону збереження енергії. Квантовий вакуум — найнижчий енергетичний стан поля, але не «нуль». У ньому відбуваються флуктуації. Коли зовнішній імпульс (наприклад, зіткнення протонів) дає цим флуктуаціям достатньо енергії, тимчасові «віртуальні» пари частинок перетворюються на «реальні» — ті, що можна зафіксувати детектором. Закон збереження виконується: енергія бере з зіткнення, а не «з нічого» в абсолютному сенсі.

Чим цей результат відрізняється від раніше відомих ефектів вакууму? Раніше ефекти квантового вакууму вимірювались непрямо — наприклад, через ефект Казіміра або зсув Лемба. Зараз вчені вперше безпосередньо простежили весь шлях: народження пари у вакуумі → трансформація у реальні частинки → збереження квантового «підпису» (спіну) у цих частинках. Це якісно новий рівень: бачення процесу «живцем».

Чи означає це, що Великий вибух міг статись «з нічого»? Відкриття не відповідає на це питання прямо, але дає підказки. Якщо квантовий вакуум здатен породжувати реальні частинки при достатньому енергетичному імпульсі — це узгоджується з космологічними моделями інфляції, де сам простір-час у перші моменти після Великого вибуху стрімко розширювався і «вириванням» пар з вакууму міг породжувати первинну матерію.

Фізики вперше побачили, як реальні частинки народжуються прямо з квантової порожнечі з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com