Per decenni, la fisica quantistica ha previsto la creazione spontanea di particelle da uno spazio apparentemente vuoto, un concetto noto come particelle virtuali. Ora, per la prima volta, gli scienziati del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) hanno tracciato l’evoluzione di queste particelle “qualcosa dal nulla”, confermandone l’esistenza e il comportamento in un esperimento rivoluzionario. I risultati, pubblicati su Nature, forniscono prove dirette dell’esistenza di particelle provenienti dal vuoto quantistico e fanno luce su questioni fondamentali sulla massa e sulla natura della realtà.
Il vuoto quantistico: non così vuoto
L’universo, al suo livello più elementare, non è pieno di nulla. Invece, la teoria quantistica suggerisce un “vuoto” inquieto brulicante di particelle virtuali che entrano ed escono dall’esistenza a causa dell’incertezza intrinseca della meccanica quantistica. Queste particelle non durano a lungo, poiché il principio di indeterminazione di Heisenberg impone che l’energia e il tempo non possano essere conosciuti con precisione. Ciò consente alle particelle e alle loro controparti di antimateria di “prendere in prestito” brevemente energia dal vuoto, esistente per fugaci istanti prima di annichilarsi.
Tradizionalmente, gli effetti di queste particelle sono stati indiretti, osservati attraverso la loro influenza su altri fenomeni. Ma ora i ricercatori del RHIC hanno osservato direttamente il processo.
Collisioni e intrecci: rendere reale l’invisibile
Al RHIC, i fisici fanno collidere i protoni quasi alla velocità della luce, creando condizioni di energia estrema. Queste collisioni forniscono la “spinta” necessaria affinché le particelle virtuali diventino reali. Quando una coppia di particelle virtuali emerge all’interno di questo ambiente ad alta energia, può attingere all’energia della collisione per stabilizzarsi e persistere.
L’esperimento si è concentrato su coppie di quark “strani”, particelle fondamentali che, una volta create, si combinano rapidamente con altre per formare iperoni lambda. Questi iperoni hanno vita breve e decadono quasi istantaneamente in particelle rilevabili. Tracciando i prodotti del decadimento, i fisici sono stati in grado di dedurre la direzione dello spin degli iperoni lambda originali e, soprattutto, lo spin correlato dei loro quark strani costituenti.
L’osservazione chiave è che questi quark mostrano costantemente spin paralleli. Questo allineamento suggerisce che si siano originati come una coppia intrecciata dal vuoto quantistico, mantenendo la loro connessione anche se si sono separati dopo la collisione.
Conferma di una previsione a lungo mantenuta
I risultati convalidano una previsione teorica di 30 anni fatta dal fisico Dmitri Kharzeev e colleghi. “È emozionante vedere che la natura segue questa previsione”, ha affermato Kharzeev, sottolineando l’importanza della conferma sperimentale per idee teoriche di vecchia data.
La capacità di osservare questo processo apre nuove strade per comprendere uno dei più grandi misteri della fisica nucleare: l’origine della massa del protone. I quark all’interno dei protoni rappresentano solo una piccola frazione della loro massa totale; si ritiene che il restante 99% provenga da interazioni con particelle virtuali nel vuoto. Tracciando il viaggio dalle particelle virtuali a quelle reali, gli scienziati sperano di svelare come viene generata questa massa.
Fine di un’era, alba di nuove ricerche
RHIC concluderà la sua corsa di 25 anni questa settimana, con parti della macchina riproposte per il prossimo collisore di elettroni-ioni. Questa nuova struttura promette di basarsi su queste scoperte, esplorando ulteriormente le dinamiche nascoste del vuoto quantistico e gli elementi fondamentali della materia.
L’osservazione diretta delle particelle che emergono dal nulla rappresenta un importante passo avanti nella nostra comprensione dell’universo, colmando il divario tra teoria ed esperimento nel regno della fisica quantistica. Le implicazioni di questa ricerca continueranno a manifestarsi man mano che gli scienziati ampliano i confini di ciò che sappiamo sulla natura della realtà.
