Квантовата физика рисува странна картина на света, изпълнена със зловещи връзки, обезпокоителни несигурности и – може би най-странното от всичко – частици, които спонтанно възникват от нищото. Тези така наречени виртуални частици имат косвени ефекти, които учените са измервали преди. Но сега, за първи път, изследователите са проследили директно еволюцията на тези частици "от нищо нещо".
В проучване, публикувано наскоро в Nature, физици от Релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider) в Националната лаборатория Брукхейвън в Лонг Айлънд описват как са открили двойки субатомни частици с необичайна корелация в посоката на техния спин.
Спинът на частиците е квантово свойство, което може да сочи или нагоре, или надолу. Повечето групи частици имат произволна комбинация от спин нагоре и надолу, но изследователите са открили, че определен вид частица, произведена в ускорителя, често се появява по двойки със съвпадащи посоки на спина.
Тези двойки според учените трябва да са преки потомци на множества от виртуални частици, които спонтанно са възникнали от нищото от квантовия вакуум.
"Вакуумът в квантовата теория не е празно пространство", обяснява физикът Дмитрий Харзеев (Dmitri Kharzeev) от университета Стоуни Брук. "Това е поле, изпълнено с виртуални частици."
Такива частици са следствие от принципа на неопределеността на Хайзенберг, който гласи, че определени корелирани свойства – като енергията и времето на живот на квантово състояние – не могат да бъдат едновременно известни с точност. Ако едно квантово състояние е много, много кратко, тогава неговата енергия може да бъде силно неопределена. Това означава, че двойки частици – частица и нейният партньор антиматерия – могат за кратко да възникнат, като заемат енергия от нищото.
Обикновено тези частици почти веднага изчезват отново, като се унищожават взаимно – но не и този път.
Тази анимация симулира флуктуации в енергийните полета на квантовия вакуум, които могат да бъдат свързани с виртуални двойки кварк-антикварк. Кредит: Centre for the Subatomic Structure of Matter/University of Adelaide
В ускорителя RHIC учените сблъскват протони с почти светлинна скорост, за да произведат експлозии с изумителна енергия. Когато във вакуума се появи виртуална двойка частици, тя може да се превърне в реална, привличайки наличната освободена енергия от сблъсъка.
"Когато две частици се сблъскат с високи енергии, това дава енергиен тласък на вакуума", обяснява физикът от Брукхейвън Джоудунмин (Кун) Ту (Zhoudunming (Kong) Tu), който е един от авторите на новото изследване.
"Сега виртуалните частици получават тласък, без да се налага да се анихилират обратно във вакуума."
Използвайки детектора Solenoidal Tracker at RHIC (STAR), физиците успяват да проследят този процес. Подробностите за това как са го направили обаче може да ви замаят главата.
Съставно изображение на детектора STAR и пример за следи от частици, които открива, излизащи от сблъсък злато със злато в релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC) в Националната лаборатория Брукхейвън. Кредит: Joe Rubino and Jen Abramowitz/Brookhaven National Laboratory
Тъй като тези новосъздадени частици са възникнали като двойка, те са вплетени, запазвайки връзката си, независимо колко далеч са една от друга. Така че, когато се разлетят след сблъсъка, те споделят една и съща посока спин.
Експериментът проследява двойки "странни" кварки – братовчеди на "горните" и "долните" кварки, които изграждат протоните и неутроните. Кварките не са стабилни сами по себе си, така че когато новите кварки се появиха, те бързо се обединяват с други, за да образуват конгломератни частици, наречени ламбда хиперони. Това са екзотични версии на протоните, които съдържат горен кварк, долен кварк и странен кварк вместо два горни и един долен кварк на протона.
Ламбдите, от своя страна, и те не са много стабилни. Те съществуват само около 10 –10 секунди и изминават няколко сантиметра вътре в колайдера, преди да се разпаднат на по-обикновени частици, които STAR може да види.
Посоката на импулса на тези разпадащи се частици разкрива спина на ламбда хипероните, които са ги създали. Смята се, че спинът на ламбда се определя единствено от спина на нейния странен кварк (защото спиновете на нейните горни и долни кварки се компенсират).
Когато изследователите разглеждат своите измервания, се изненадват колко корелирани са тези частици.
"Техните спинове изглеждат успоредни", разказва съавторът на изследването Ян Ванек (Jan Vanek), физик от Университета на Ню Хемпшир. "Това подсказва, че всъщност виждаме онези странни вакуумни кваркови двойки, открити в ламбда хипероните."
Откритието потвърждава 30-годишно предсказание на Харзеев и неговите колеги, че странните двойки виртуални частици кварки трябва да имат паралелни спинове.
"Вълнуващо е, защото можеш да си измисляш всякакви правдоподобни теоретични идеи, но никога не знаеш дали природата ще ги следва или не", коментира той. "Така че е много удовлетворяващо да видим, че това най-накрая е измерено в реален експеримент."
Този нов поглед върху виртуалните частици би трябвало да помогне за разрешаването на една голяма мистерия в ядрената физика: Откъде идва масата на протона? Трите кварка, които образуват протоните, заедно имат много малко, минимално количество маса - останалите 99% се смята, че възникват от взаимодействия между тези реални кварки и рояци от виртуални кварки във вакуума.
"Ако можем да проследим двойка кварки от виртуална частица до реална частица, може би ще можем да получим известна представа за това как тази маса се генерира чрез взаимодействието с вакуума", посочвам Ту.
Откритието бележи още едно постижение за RHIC, тъй като колайдерът се готви да спре работата си. Петък ще бъде последният ден на сблъсъци след рекордните 25 години работа. Части от машината ще бъдат използвани в предстоящия електрон-йонен колайдер в Брукхейвън, който се очаква да стартира в лабораторията в средата на 30-те години на 21-ви век.
Справка: STAR Collaboration. Measuring spin correlation between quarks during QCD confinement. Nature 650, 65–71 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09920-0
Източник: Physicists trace particles back to the quantum vacuum, Clara Moskowitz, Scientific American
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
"Ад" на Данте описва удар на астероид 500 години преди съвременната наука
10-годишно момиче открива рядък мексикански аксолотъл. Какво знаем за тези животни
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване
Хората с тъмни черти на характера са естествено склонни към лидерски роли, установява ново проучване