Квантовая физика уже более 100 лет утверждает, что вакуум не бывает абсолютно пустым. Пространство заполнено энергетическими полями, которые непрерывно создают пары частиц и их антиподов. Эти объекты называют виртуальными, поскольку они существуют доли секунды и сразу исчезают. В обычном состоянии такие «призрачные» пары не успевают стать частью реального мира и остаются недоступными для наблюдения.
Однако при колоссальных выбросах энергии виртуальные частицы могут получить шанс на материальное существование. В такой момент невидимые флуктуации превращаются в регистрируемые объекты. Этот процесс превращения энергии в материю лежит в основе устройства Вселенной.
Долгое время физики не понимали, сохраняют ли новые частицы свойства невидимых родителей или формируются заново без какой-либо связи с прошлым. Ответ на этот вопрос нашли при анализе данных экспериментов. Результаты работы выпустили в журнале Nature.
Исследование провела коллаборация STAR на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории. Специалисты сталкивали протоны на околосветовых скоростях, чтобы создать условия для выхода материи из вакуума. В образовавшемся хаосе они искали конкретные элементарные частицы — лямбда-гипероны и их антивещественных двойников.
Выбор пал на эти частицы из-за их строения. Лямбда-гипероны содержат так называемые странные кварки. В вакууме виртуальные пары странных кварков и антикварков всегда имеют согласованные спины. Если реальные частицы рождаются напрямую из этих виртуальных пар, их спины тоже должны сохранять изначальное свойство. При этом направление спина лямбда-гиперона легко определить по траектории продуктов его распада.
Команда проанализировала миллионы столкновений и отсеяла лишнее. Анализ показал, что при рождении лямбда-гиперона и антилямбды на близком расстоянии их спины синхронизированы на 100%. Значит, кварки внутри двух разных частиц сохранили связь, возникшую в состоянии вакуумной пустоты. Фактически эксперимент позволил напрямую увидеть «наследственность» материи, переходящей из квантового мира в классический.
Ситуация менялась, когда частицы разлетались на большие расстояния. В таких случаях корреляция исчезала, и вращение становилось хаотичным. На большом удалении частицы успевали провзаимодействовать с окружением и теряли изначальную связь. Однако на малых дистанциях измерения четко показали: реальные частицы ведут себя как связанные «квантовые близнецы», рожденные из одной виртуальной пары.
Результаты подтвердили фундаментальную связь между характеристиками квантового вакуума и свойствами обычной материи. Физики получили новый инструмент для изучения механизма возникновения массы. Сами по себе кварки почти невесомы, однако состоящие из них протоны и нейтроны обладают значительной тяжестью. Основная часть их массы рождается именно в момент перехода из вакуумного состояния в реальное за счет энергии сильного взаимодействия.
Теперь ученые могут использовать обнаруженную спиновую связь для «обратной инженерии» этого процесса. Детальный разбор того, как «призрачные» пары превращаются в осязаемые кирпичики мироздания, поможет объяснить эволюцию Вселенной от субатомных масштабов до уровня звезд и галактик.