Экспериментальные исследования, проведенные физиками, подтвердили, что новорожденные частицы сохраняют квантовую взаимосвязь, унаследованную от виртуальных частиц-предшественников. Лямбда-гипероны и антилямбда-гипероны возникали парами, демонстрируя синхронизированные спины, полученные ими от энергетических колебаний вакуума. Это явление позволяет понять, как материя переходит из неявного квантового состояния в реальный мир, предоставляя дополнительную информацию о механизмах формирования массы.
Более столетия квантовая физика утверждает, что вакуум не является абсолютно пустым. Пространство насыщено энергетическими полями, которые постоянно генерируют пары частиц и их античастиц. Эти объекты называются виртуальными, так как существуют лишь малую долю секунды и тут же аннигилируют. В нормальных условиях такие «призрачные» пары не могут проявиться в реальном мире и остаются неощутимыми.
При значительных выбросах энергии виртуальные частицы получают возможность проявиться в материальном мире. В этот момент невидимые колебания становятся объектами, которые можно зафиксировать. Именно этот переход энергии в материю определяет принципы работы Вселенной.
Физикам долгое время оставалось неясным, наследуют ли вновь образованные частицы характеристики своих предшественников или приобретают их заново, не имея отношения к прошлому. Решение этой задачи стало возможным благодаря анализу данных, полученных в ходе экспериментов. Итоговые данные исследования выпустили в журнале Nature.
Работа была выполнена совместной командой STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Ученые сталкивали протоны, разогнав их почти до скорости света, чтобы создать условия, необходимые для перехода материи из состояния вакуума. В возникшем в результате столкновения состоянии они выявляли определенные элементарные частицы — лямбда-гипероны и соответствующие античастицы.
Эти частицы были выбраны для исследования, учитывая их структуру. Лямбда-гипероны содержат так называемые странные кварки. В вакууме виртуальные пары странных кварков и антикварков всегда демонстрируют согласованность спинов. Если реальные частицы возникают непосредственно из этих виртуальных пар, их спины также должны сохранять первоначальное свойство. При этом направление спина лямбда-гиперона можно легко установить, анализируя траекторию частиц, образующихся при его распаде.
В результате анализа миллионов столкновений были отсеяны избыточные данные. Исследование выявило, что при рождении лямбда-гиперона и антилямбды на небольшом расстоянии их спины оказываются синхронизированы на 100%. Это указывает на то, что кварки внутри двух различных частиц сохранили связь, сформировавшуюся в состоянии вакуумной пустоты. Эксперимент, по сути, предоставил возможность непосредственно наблюдать «наследственность» материи, переходящей из квантового мира в классический.
Изменение ситуации происходило по мере того, как частицы распространялись на значительные расстояния. В этих условиях корреляция прекращалась, и вращение приобрело хаотичный характер. На большом удалении частицы успевали взаимодействовать с окружающей средой, что приводило к утрате первоначальной связи. Однако при небольших расстояниях измерения продемонстрировали: реальные частицы проявляют поведение, характерное для связанных «квантовых близнецов», возникших из единой виртуальной пары.
Полученные данные продемонстрировали тесную взаимосвязь между параметрами квантового вакуума и характеристиками привычной нам материи. Ученые получили новый метод исследования процесса возникновения массы. Кварки сами по себе обладают крайне малой массой, в то время как протоны и нейтроны, состоящие из них, имеют существенный вес. Значительная доля массы последних формируется в процессе перехода из вакуумного состояния в реальное благодаря энергии сильного взаимодействия.
Теперь исследователи получили возможность применять найденную спиновую связь для «обратной инженерии» этого явления. Тщательное изучение того, как «призрачные» пары переходят в ощутимые элементы мироздания, позволит понять эволюцию Вселенной от субатомных масштабов до уровня звёзд и галактик.