Пустое пространство оказалось не таким уж пустым. Физики нашли следы виртуальных частиц, которые обычно существуют лишь ничтожную долю секунды, а затем исчезают. Мощные столкновения протонов дали таким частицам достаточно энергии, чтобы превратиться в компоненты реальной материи и попасть в детекторы.
Открытие сделали участники международного эксперимента STAR на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Исследователи разогнали протоны до 99,996% скорости света, столкнули частицы и проанализировали около 600 млн событий. Учёных интересовало, сможет ли реальная материя сохранить свойства виртуальных частиц, скрытых в квантовом вакууме.
В привычном понимании вакуум представляет собой пространство без вещества. Квантовая физика описывает более сложную картину. Даже в состоянии с минимальной энергией поля продолжают колебаться, а внутри вакуума на короткое время возникают пары частиц и античастиц. Такие пары называют виртуальными, поскольку зарегистрировать их напрямую обычным детектором невозможно.
Команда сосредоточилась на парах странных кварков и антикварков. Согласно квантовой хромодинамике, спины частиц в таких парах должны быть направлены одинаково. Столкновения протонов передали виртуальным кваркам дополнительную энергию, после чего кварки вошли в состав лямбда-гиперонов и антилямбда-гиперонов. Кварки не могут существовать поодиночке, поэтому сильное взаимодействие почти мгновенно объединяет их в составные частицы.
Лямбда-гипероны живут около одной десятимиллиардной доли секунды и распадаются на другие частицы. Направление разлёта продуктов распада позволяет восстановить ориентацию спина исходного гиперона. Сопоставив лямбды и антилямбды, учёные обнаружили заметную связь между их спинами.
Для близко расположенных пар относительная поляризация составила 18 ± 4%, а статистическая значимость достигла 4,4 стандартного отклонения. Авторы считают результат сильным свидетельством того, что странный кварк и антикварк возникли из одной виртуальной пары и сохранили исходную связь после превращения в реальные частицы. У лямбд одного типа, а также у пар, разлетевшихся на большое расстояние, подобной зависимости не обнаружили.
По мере удаления гиперонов друг от друга связь между спинами ослабевала. Физики связывают такое поведение с квантовой декогеренцией. Взаимодействие с другими кварками и глюонами постепенно стирает исходную квантовую информацию и переводит систему к привычному классическому состоянию.
Исследование не означает, что учёные научились создавать вещество без затрат энергии. Энергию для рождения наблюдаемых частиц обеспечивали столкновения протонов. Эксперимент показал другое: виртуальные кварковые пары из квантового вакуума могут оставить измеримый след в реальной материи. Новый метод поможет изучать конфайнмент, из-за которого кварки никогда не встречаются поодиночке, а также происхождение массы и спина протонов, нейтронов и других составных частиц.