Първото експериментално доказателство за разпадане на вакуум е демонстрирано в експеримент, проведен в Италия с теоретична подкрепа от Университета в Нюкасъл.
В квантовата теория на полето фалшивият вакуум не е състояние с глобално минимална енергия, а съответства на локален минимум. Това състояние е стабилно за определено време (метастабилно), но може да "тунелира" в състояние на истински вакуум.
Приложението на метастабилността към квантовата теория на полето и квантовите системи от много тела предизвика значителен интерес в статистическата физика, сгъването на протеини и космологията. В този контекст се очаква, че топлинните и квантовите флуктуации могат да инициират прехода от метастабилно състояние (фалшив вакуум) към основно състояние (истински вакуум) чрез вероятностното зараждане на пространствено локализирани мехурчета. Въпреки този теоретичен напредък, експерименталното валидиране на оценката на скоростта на релаксация на метастабилното поле чрез нуклеация на мехурчета е предизвикателство от десетилетия.
Международен изследователски екип за първи път е наблюдавал да се образуват тези мехурчета във внимателно контролирани атомни системи. Това експериментално наблюдение предоставя ценна информация за динамиката на квантовата теория на полето при разпад на фалшивия вакуум.
Облакът първоначално се приготвя във фалшивия вакуум (FV) с всички атоми (A). Въпреки че единичното състояние е енергийно по-ниско (E↓ < E↑) в центъра на облака, ситуацията е обратната в опашките с ниска плътност. Интерфейсът (стената на домейна) между феромагнитни региони с противоположно намагнитване има положителна (кинетична) енергия, която се добавя към двойния минимален енергиен пейзаж, възникващ от феромагнитното взаимодействие. Макроскопичното тунелиране може да се осъществи резонансно към състоянието на мехур (B). Увеличението на енергията на ядрото компенсира разходите за енергия на стената на домейна. Преминаването на бариерата може да бъде предизвикано от квантови флуктуации в случай на нулева температура (пълна стрелка) или от топлинни флуктуации при гранична температура (празна стрелка). След процеса на тунелиране мехурът се увеличава по размер при наличие на разсейване, за да достигне състоянието на истинския вакуум (TV) (C), без да се връща обратно към (A). Кредит: Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-023-02345-4
Експерименталните констатации са подкрепени от теоретични симулации и числени модели, потвърждаващи произхода на разпада в квантово поле и топлинната му активация. Това отваря възможности за емулиране в атомни системи на явления на квантово поле извън равновесие.
Експериментът използва свръхохладен газ с температура по-малка от микрокелвин (една милионна от градуса) над абсолютната нула. При тази изключително ниска температура се наблюдава появата на мехурчета, когато вакуумът се разпада.
Професор Иън Мос (Ian Moss) и д-р Том Билам (Tom Billam) от Нюкасълския университет убедително демонстрираха, че тези мехурчета са резултат от термично активиран вакуумен разпад. Тази експериментална работа допринася за нашето разбиране на динамиката на квантовите полета и осигурява платформа за изследване на квантовите явления в контролираните атомни системи.
"Смята се, че вакуумният разпад играе централна роля в създаването на пространство, време и материя в Големия взрив, но досега, не е имало експериментален тест. Във физиката на елементарните частици вакуумният разпад на бозона на Хигс би променило законите на физиката, предизвиквайки това, което е описано като "крайната екологична катастрофа"", обяснява Иън Мос, професор по теоретична космология във Факултета по математика, статистика и физика на Нюкасълския университет.
"Използването на силата на експериментите с ултрастуден атом за симулиране на аналози на квантовата физика в други системи – в този случай самата ранна вселена - е завладяваща област на изследване в момента", добавя д-р Том Билам, старши преподавател по приложна математика и квантова физика.
Изследването не само дава представа за динамиката на феномените на квантовите полета, но също така отваря нови пътища за разбиране на ранната вселена и феромагнитните квантови фазови преходи.
Справка: A. Zenesini et al, False vacuum decay via bubble formation in ferromagnetic superfluids, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02345-4
Източник: False vacuum decay: New research sheds light on the phenomenon, ТechЕxplorist
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
2020
1
25.01 2024 в 01:11
Последни коментари