Kvantová fyzika po desetiletí předpovídala spontánní vznik částic ze zdánlivě prázdného prostoru, koncept známý jako virtuální částice. Nyní vědci z Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) poprvé sledovali vývoj těchto částic přicházejících odnikud a potvrdili jejich existenci a chování v průlomovém experimentu. Výsledky publikované v časopise Nature poskytují přímý důkaz o původu částic v kvantovém vakuu a vrhají světlo na základní otázky o hmotnosti a povaze reality.
Kvantové vakuum: Není tak prázdné
Vesmír na své nejzákladnější úrovni není ničím naplněn. Místo toho si kvantová teorie představuje neklidné „vakuum“ hemžící se virtuálními částicemi, které blikají do existence a mizí kvůli inherentní nejistotě kvantové mechaniky. Tyto částice nežijí dlouho, protože Heisenbergův princip nejistoty určuje, že energii a čas nelze přesně znát současně. To umožňuje částicím a jejich antičásticím krátce si „vypůjčit“ energii z vakua, existujícího na prchavé okamžiky před anihilací.
Tradičně byly účinky těchto částic nepřímé – pozorované prostřednictvím jejich vlivu na jiné jevy. Ale výzkumníci RHIC nyní pozorovali tento proces přímo.
Kolize a zmatek: Učinit neviditelné skutečným
V RHIC fyzici rozbíjejí protony dohromady rychlostí téměř světla a vytvářejí podmínky extrémní energie. Tyto srážky poskytují nezbytný “tlak” pro to, aby se virtuální částice staly skutečnými. Když v tomto vysokoenergetickém prostředí vznikne pár virtuálních částic, mohou využít energii srážky ke stabilizaci a udržení existence.
Experiment se zaměřil na dvojice „podivných“ kvarků – základních částic, které se po vytvoření rychle spojí s ostatními a vytvoří hyperony lambda. Tyto hyperony jsou krátkodobé a téměř okamžitě se rozpadají na detekovatelné částice. Sledováním produktů rozpadu byli fyzici schopni určit směr rotace původních hyperonů lambda a především korelovaný spin jejich zvláštních kvarků.
Klíčovým pozorováním bylo, že tyto kvarky trvale vykazovaly paralelní spiny. Toto zarovnání naznačuje, že se objevily jako propletený pár z kvantového vakua a udržely si své spojení i poté, co byly odděleny kolizí.
Potvrzení staré teorie
Výsledky potvrzují 30 let starou teoretickou předpověď fyzika Dmitrije Charzeeva a jeho kolegů. “Je povzbudivé vidět, že příroda následuje tuto předpověď,” řekl Kharzeev a zdůraznil důležitost experimentálního potvrzení dlouhodobých teoretických myšlenek.
Schopnost pozorovat tento proces otevírá nové obzory pro pochopení jedné z největších záhad jaderné fyziky: původu hmotnosti protonu. Kvarky uvnitř protonů tvoří jen nepatrný zlomek jejich celkové hmotnosti; zbývajících 99 % pravděpodobně pochází z interakcí s virtuálními částicemi ve vakuu. Vědci doufají, že sledováním cesty od virtuálních ke skutečným částicím odhalí, jak tato hmota vzniká.
Konec jedné éry, úsvit nového výzkumu
RHIC ukončí svůj 25letý provoz tento týden a části stroje budou přepracovány pro nadcházející elektron-iontový urychlovač. Toto nové zařízení slibuje stavět na těchto objevech dalším zkoumáním skryté dynamiky kvantového vakua a základních stavebních kamenů hmoty.
Přímé pozorování částic vynořujících se z ničeho představuje velký krok vpřed v našem chápání vesmíru, překlenuje propast mezi teorií a experimentem v kvantové fyzice. Důsledky tohoto výzkumu se budou nadále vyvíjet, jak vědci rozšiřují hranice našich znalostí o povaze reality.
