Decennia lang heeft de kwantumfysica de spontane creatie van deeltjes uit schijnbaar lege ruimte voorspeld – een concept dat bekend staat als virtuele deeltjes. Nu hebben wetenschappers van de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) voor het eerst de evolutie van deze ‘iets-uit-niets’-deeltjes getraceerd en hun bestaan en gedrag bevestigd in een baanbrekend experiment. De bevindingen, gepubliceerd in Nature, leveren direct bewijs dat deeltjes afkomstig zijn uit het kwantumvacuüm en werpen licht op fundamentele vragen over massa en de aard van de werkelijkheid.
Het kwantumvacuüm: niet zo leeg
Het universum is op zijn meest basale niveau niet met niets gevuld. In plaats daarvan suggereert de kwantumtheorie een rusteloos ‘vacuüm’ vol met virtuele deeltjes die knipperend in en uit het bestaan verdwijnen vanwege de inherente onzekerheid in de kwantummechanica. Deze deeltjes gaan niet lang mee, omdat het onzekerheidsprincipe van Heisenberg voorschrijft dat energie en tijd niet allebei precies bekend kunnen zijn. Hierdoor kunnen deeltjes en hun antimaterie-tegenhangers kortstondig energie ‘lenen’ uit het vacuüm, dat slechts enkele ogenblikken bestaat voordat het wordt vernietigd.
Traditioneel zijn de effecten van deze deeltjes indirect: waargenomen via hun invloed op andere verschijnselen. Maar RHIC-onderzoekers hebben het proces nu rechtstreeks waargenomen.
Botsingen en verstrikking: het onzichtbare werkelijkheid maken
Bij RHIC botsen natuurkundigen protonen met bijna de snelheid van het licht, waardoor omstandigheden van extreme energie ontstaan. Deze botsingen zorgen voor de noodzakelijke ‘push’ om virtuele deeltjes werkelijkheid te laten worden. Wanneer een virtueel deeltjespaar ontstaat in deze hoogenergetische omgeving, kan het gebruik maken van de energie van de botsing om te stabiliseren en te blijven bestaan.
Het experiment concentreerde zich op paren van ‘vreemde’ quarks: fundamentele deeltjes die, wanneer ze ontstaan, snel met andere combineren om lambda-hyperonen te vormen. Deze hyperonen hebben een korte levensduur en vervallen vrijwel onmiddellijk in detecteerbare deeltjes. Door de vervalproducten te volgen, konden natuurkundigen de spinrichting van de oorspronkelijke lambda-hyperonen afleiden en, cruciaal, de gecorreleerde spin van hun vreemde quarks.
De belangrijkste observatie was dat deze quarks consequent parallelle spins vertoonden. Deze uitlijning suggereert dat ze hun oorsprong vonden als een verstrengeld paar uit het kwantumvacuüm, en hun verbinding behielden, zelfs toen ze na de botsing uit elkaar vlogen.
Een lang aangehouden voorspelling bevestigen
De bevindingen bevestigen een dertig jaar oude theoretische voorspelling van natuurkundige Dmitri Kharzeev en collega’s. ‘Het is opwindend om te zien dat de natuur deze voorspelling volgt’, zei Kharzeev, waarbij hij het belang van experimentele bevestiging voor al lang bestaande theoretische ideeën benadrukte.
Het vermogen om dit proces te observeren opent nieuwe wegen voor het begrijpen van een van de grootste mysteries in de kernfysica: de oorsprong van protonenmassa. De quarks in protonen zijn slechts verantwoordelijk voor een klein deel van hun totale massa; Aangenomen wordt dat de resterende 99% afkomstig is van interacties met virtuele deeltjes in het vacuüm. Door de reis van virtuele naar echte deeltjes te volgen, hopen wetenschappers te ontrafelen hoe deze massa wordt gegenereerd.
Einde van een tijdperk, dageraad van nieuw onderzoek
RHIC zal deze week zijn 25-jarige run afronden, waarbij delen van de machine opnieuw zullen worden gebruikt voor de komende Electron-Ion Collider. Deze nieuwe faciliteit belooft voort te bouwen op deze ontdekkingen en de verborgen dynamiek van het kwantumvacuüm en de fundamentele bouwstenen van materie verder te onderzoeken.
De directe observatie van deeltjes die uit het niets tevoorschijn komen, vertegenwoordigt een grote stap voorwaarts in ons begrip van het universum en overbrugt de kloof tussen theorie en experiment op het gebied van de kwantumfysica. De implicaties van dit onderzoek zullen zich blijven ontvouwen naarmate wetenschappers de grenzen verleggen van wat we weten over de aard van de werkelijkheid.
