Ученые, работающие с детектором STAR в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), впервые в истории наблюдали, как частицы возникают непосредственно из пустого пространства, что подтверждает давнее предсказание квантовой хромодинамики. Это открытие было сделано в ходе экспериментов с высокоэнергетическими протонными столкновениями внутри Соленоидального трекера в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Исследователи зафиксировали редкие пары «кварк-антикварк», которые возникли из самого вакуума, а не в результате столкновения протонов.
Это открытие предоставляет самое убедительное на сегодняшний день доказательство того, что материя может материализоваться из того, что классическая физика считает абсолютно пустым пространством. Данный результат способен помочь ответить на одну из величайших загадок физики: каким образом частицы обретают массу. Согласно квантовой хромодинамике — установленной теории сильного взаимодействия, удерживающего кварки внутри протонов и нейтронов, — идеальный вакуум не является пустым. Он содержит постоянные флуктуации, известные как виртуальные частицы, включая недолговечные пары «кварк-антикварк». В обычных условиях эти пары появляются и исчезают почти мгновенно. Однако теория предсказывает, что при подведении достаточного количества энергии они могут превратиться в реальные частицы, обладающие измеримой массой.
В эксперименте STAR столкновения протонов породили каскад частиц. Поскольку свободные кварки не могут существовать в изоляции, кварки, рожденные из вакуума, немедленно объединились в составные частицы, называемые гиперонами. Команда STAR обнаружила ключевое доказательство в виде квантового свойства частиц — спина. Кварки и антикварки, рожденные из вакуума, несут коррелированные спины — общую ориентацию, запечатленную в момент их создания. Эта корреляция сохранялась, когда кварки формировали гипероны, и продолжала существовать даже после того, как гипероны распадались менее чем за десятую долю миллиардной доли секунды. Обнаружение этих гиперонов с выстроенными спинами позволило команде проследить происхождение кварков именно до вакуума, а не до исходных осколков столкновения.
Как объяснил Чжоудуньмин Ю, участник коллаборации STAR, это первый случай, когда ученые увидели весь процесс целиком. Полученный результат имеет важное значение для одной из центральных загадок физики — вопроса о происхождении массы частиц. Квантовая хромодинамика предсказывает, что кварки приобретают большую часть своей массы благодаря взаимодействиям с вакуумом, однако точный механизм этого процесса до сих пор оставался неясным. Новое наблюдение предоставляет прямой экспериментальный ключ к пониманию этих вакуумных взаимодействий.
Важно отметить, что результаты пока не являются окончательными, поскольку исследователям предстоит исключить другие факторы, которые могли вызвать наблюдаемый сигнал. Будущие сеансы работы Релятивистского коллайдера тяжелых ионов, а также дополнительные эксперименты на других установках будут направлены на уточнение этих данных. Тем не менее, новое исследование открывает новый экспериментальный путь для изучения свойств вакуума и процесса генерации массы, предсказанного квантовой хромодинамикой. Работа коллаборации STAR знаменует собой первое прямое наблюдение материи, возникшей из вакуума, и закладывает основу для дальнейшей проверки теории на передовом энергетическом рубеже.