Seit Jahrzehnten sagt die Quantenphysik die spontane Entstehung von Teilchen aus scheinbar leerem Raum voraus – ein Konzept, das als virtuelle Teilchen bekannt ist. Jetzt haben Wissenschaftler am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) zum ersten Mal die Entwicklung dieser „etwas aus dem Nichts“-Teilchen verfolgt und ihre Existenz und ihr Verhalten in einem bahnbrechenden Experiment bestätigt. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse liefern direkte Beweise für Teilchen, die aus dem Quantenvakuum stammen, und werfen Licht auf grundlegende Fragen zur Masse und zur Natur der Realität.
Das Quantenvakuum: Nicht so leer
Das Universum ist auf seiner grundlegendsten Ebene nicht mit Nichts gefüllt. Stattdessen geht die Quantentheorie von einem unruhigen „Vakuum“ aus, in dem es von virtuellen Teilchen wimmelt, die aufgrund der inhärenten Unsicherheit der Quantenmechanik blinken. Diese Teilchen halten nicht lange, da das Heisenbergsche Unschärfeprinzip vorschreibt, dass Energie und Zeit nicht beide genau bekannt sein können. Dies ermöglicht es Teilchen und ihren Antimaterie-Gegenstücken, kurzzeitig Energie aus dem Vakuum zu „leihen“, das für flüchtige Momente existiert, bevor es vernichtet wird.
Traditionell waren die Auswirkungen dieser Partikel indirekter Natur – sie wurden durch ihren Einfluss auf andere Phänomene beobachtet. Doch RHIC-Forscher haben den Prozess nun direkt beobachtet.
Kollisionen und Verschränkung: Das Unsichtbare Wirklichkeit werden lassen
Am RHIC kollidieren Physiker mit Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und erzeugen so Bedingungen extremer Energie. Diese Kollisionen sorgen für den nötigen „Anstoß“, damit virtuelle Teilchen real werden. Wenn in dieser hochenergetischen Umgebung ein virtuelles Teilchenpaar entsteht, kann es die Energie der Kollision nutzen, um sich zu stabilisieren und zu bestehen.
Das Experiment konzentrierte sich auf Paare „seltsamer“ Quarks – fundamentale Teilchen, die sich, wenn sie erzeugt werden, schnell mit anderen verbinden, um Lambda-Hyperonen zu bilden. Diese Hyperonen sind kurzlebig und zerfallen fast augenblicklich in nachweisbare Partikel. Durch die Verfolgung der Zerfallsprodukte konnten Physiker die Spinrichtung der ursprünglichen Lambda-Hyperonen und, was entscheidend ist, den korrelierten Spin ihrer konstituierenden Strange-Quarks ableiten.
Die wichtigste Beobachtung war, dass diese Quarks durchweg parallele Spins aufwiesen. Diese Ausrichtung legt nahe, dass sie als verschränktes Paar aus dem Quantenvakuum entstanden sind und ihre Verbindung auch dann beibehalten haben, als sie nach der Kollision auseinanderflogen.
Bestätigung einer lang gehegten Vorhersage
Die Ergebnisse bestätigen eine 30 Jahre alte theoretische Vorhersage des Physikers Dmitri Kharzeev und seiner Kollegen. „Es ist spannend zu sehen, dass die Natur dieser Vorhersage folgt“, sagte Kharzeev und betonte die Bedeutung der experimentellen Bestätigung für langjährige theoretische Ideen.
Die Möglichkeit, diesen Prozess zu beobachten, eröffnet neue Wege zum Verständnis eines der größten Rätsel der Kernphysik: den Ursprung der Protonenmasse. Die Quarks im Inneren von Protonen machen nur einen winzigen Bruchteil ihrer Gesamtmasse aus; Es wird angenommen, dass die restlichen 99 % auf Wechselwirkungen mit virtuellen Teilchen im Vakuum zurückzuführen sind. Durch die Verfolgung des Weges von virtuellen zu realen Teilchen hoffen Wissenschaftler herauszufinden, wie diese Masse erzeugt wird.
Ende einer Ära, Beginn neuer Forschung
RHIC wird diese Woche seinen 25-jährigen Betrieb abschließen und Teile der Maschine für den kommenden Electron-Ion Collider umfunktionieren. Diese neue Einrichtung verspricht, auf diesen Entdeckungen aufzubauen und die verborgene Dynamik des Quantenvakuums und die grundlegenden Bausteine der Materie weiter zu erforschen.
Die direkte Beobachtung von Teilchen, die aus dem Nichts entstehen, stellt einen großen Fortschritt in unserem Verständnis des Universums dar und schließt die Lücke zwischen Theorie und Experiment im Bereich der Quantenphysik. Die Implikationen dieser Forschung werden sich weiter entfalten, wenn Wissenschaftler die Grenzen dessen, was wir über die Natur der Realität wissen, erweitern.
