В ходе исследований, проводимых с использованием детектора STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), ученые впервые зарегистрировали появление частиц из вакуума. Это явление подтверждает предсказания квантовой хромодинамики, сделанные ранее. Открытие было сделано в результате экспериментов, включавших столкновения высокоэнергетических протонов, проводимых внутри Соленоидального трекера в Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной в штате Нью-Йорк. Специалисты зафиксировали редкие пары, состоящие из «кварка» и «антикварка», которые сформировались непосредственно из вакуума, а не в результате столкновения протонов.
Это открытие представляет собой наиболее весомое на данный момент свидетельство того, что материя может возникать из пространства, которое классическая физика считает абсолютно пустым. Полученные данные могут способствовать решению одной из ключевых неразгаданных тайн в физике: как частицы приобретают массу. Квантовая хромодинамика, являющаяся устоявшейся теорией сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в протонах и нейтронах, указывает на то, что идеальный вакуум не пуст. Он характеризуется постоянными колебаниями, известными как виртуальные частицы, в том числе кратковременными парами «кварк-антикварк». В стандартных условиях эти пары возникают и аннигилируют почти мгновенно. Тем не менее, теория предполагает, что при подводе достаточного количества энергии они способны трансформироваться в реальные частицы, имеющие ощутимую массу.
В ходе эксперимента STAR столкновения протонов привели к образованию каскада частиц. Так как свободные кварки не способны существовать в изолированном состоянии, кварки, возникшие из вакуума, сразу же объединились, образуя составные частицы – гипероны. Специалисты STAR получили важное подтверждение, выраженное в квантовом свойстве частиц – спине. Кварки и антикварки, рожденные из вакуума, обладают взаимосвязанными спинами, то есть общей ориентацией, которая фиксируется в момент их появления. Эта взаимосвязь сохранялась при формировании гиперонов и продолжала проявляться даже после того, как гипероны распались менее чем за одну десятичную долю миллиардной доли секунды. Идентификация гиперонов с выровненными спинами позволила исследователям установить, что кварки действительно произошли из вакуума, а не из исходных фрагментов столкновения.
По словам Чжоудуньмина Ю, одного из участников проекта STAR, это первое наблюдение полного хода процесса. Достигнутый результат имеет большое значение для решения одной из ключевых проблем в физике — вопроса о том, как возникает масса у частиц. Квантовая хромодинамика предполагает, что кварки получают основную часть своей массы за счет взаимодействия с вакуумом, однако конкретный механизм этого явления оставался невыясненным. Новое наблюдение даёт прямой экспериментальный доступ к пониманию этих взаимодействий с вакуумом.
Следует подчеркнуть, что полученные результаты пока не окончательны, так как ученым необходимо исключить другие возможные причины наблюдаемого эффекта. В ходе будущих экспериментов на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов, а также в дополнительных исследованиях на других установках, планируется детализировать эти данные. Однако, новое исследование указывает на перспективный экспериментальный подход к изучению свойств вакуума и механизма возникновения массы, предсказанного квантовой хромодинамикой. Работа коллаборации STAR представляет собой первое непосредственное обнаружение материи, сформировавшейся из вакуума, и создает основу для дальнейшей проверки теории при максимальных энергетических уровнях.