Przez dziesięciolecia fizyka kwantowa przewidywała spontaniczne tworzenie się cząstek z pozornie pustej przestrzeni, co jest koncepcją znaną jako cząstki wirtualne. Teraz po raz pierwszy naukowcy z Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich Jonów (RHIC) prześledzili ewolucję tych cząstek pojawiających się nie wiadomo skąd, potwierdzając ich istnienie i zachowanie w przełomowym eksperymencie. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Nature dostarczają bezpośrednich dowodów na pochodzenie cząstek w próżni kwantowej i rzucają światło na podstawowe pytania dotyczące masy i natury rzeczywistości.
Próżnia kwantowa: nie taka pusta
Wszechświat na najbardziej podstawowym poziomie nie jest wypełniony niczym. Zamiast tego teoria kwantowa przewiduje niespokojną „próżnię” pełną wirtualnych cząstek, które pojawiają się i znikają z powodu nieodłącznej niepewności mechaniki kwantowej. Cząstki te nie żyją długo, ponieważ zasada nieoznaczoności Heisenberga stanowi, że nie można jednocześnie dokładnie poznać energii i czasu. Dzięki temu cząstki i ich antycząstki na krótko „pożyczają” energię z próżni, istniejącą przez ulotne chwile przed anihilacją.
Tradycyjnie wpływ tych cząstek był pośredni i obserwowany poprzez ich wpływ na inne zjawiska. Jednak badacze z RHIC zaobserwowali teraz bezpośrednio ten proces.
Kolizje i zamieszanie: urzeczywistnianie niewidzialnego
W RHIC fizycy zderzają protony z prędkością niemal równą prędkości światła, tworząc warunki o ekstremalnej energii. Te zderzenia zapewniają niezbędny „pchnięcie”, aby wirtualne cząstki stały się rzeczywiste. Kiedy w tym wysokoenergetycznym środowisku pojawia się para wirtualnych cząstek, mogą one wykorzystać energię zderzenia do stabilizacji i utrzymania istnienia.
Eksperyment skupiał się na parach „dziwnych” kwarków – cząstek podstawowych, które po utworzeniu szybko łączą się z innymi, tworząc hiperony lambda. Te hiperony są krótkotrwałe i niemal natychmiast rozpadają się na wykrywalne cząstki. Śledząc produkty rozpadu, fizycy byli w stanie określić kierunek wirowania pierwotnych hiperonów lambda i, co najważniejsze, skorelowany spin wchodzących w ich skład dziwnych kwarków.
Kluczową obserwacją było to, że kwarki te stale wykazywały równoległe spiny. To ustawienie sugeruje, że wyłoniły się one z próżni kwantowej jako splątana para, utrzymując swoje połączenie nawet po rozdzieleniu w wyniku zderzenia.
Potwierdzenie starej teorii
Wyniki potwierdzają przewidywania teoretyczne sprzed 30 lat dokonane przez fizyka Dmitrija Kharzeeva i jego współpracowników. „To zachęcające widzieć, że natura podąża za tymi przewidywaniami” – powiedział Kharzeev, podkreślając znaczenie eksperymentalnego potwierdzenia długotrwałych idei teoretycznych.
Możliwość obserwacji tego procesu otwiera nowe horyzonty dla zrozumienia jednej z największych tajemnic fizyki jądrowej: pochodzenia masy protonu. Kwarki wewnątrz protonów stanowią jedynie niewielki ułamek ich całkowitej masy; pozostałe 99% prawdopodobnie pochodzi z interakcji z wirtualnymi cząstkami w próżni. Śledząc ścieżkę od cząstek wirtualnych do rzeczywistych, naukowcy mają nadzieję odkryć, w jaki sposób generowana jest ta masa.
Koniec pewnej ery, początek nowych badań
W tym tygodniu RHIC zakończy swoją 25-letnią działalność, a części maszyny zostaną ponownie wykorzystane w nadchodzącym Zderzaczu Elektronowo-Jonowym. Ten nowy obiekt ma zamiar wykorzystać te odkrycia w drodze dalszego badania ukrytej dynamiki próżni kwantowej i podstawowych elementów budulcowych materii.
Bezpośrednia obserwacja cząstek wyłaniających się z niczego stanowi duży krok naprzód w naszym rozumieniu wszechświata, wypełniając lukę między teorią a eksperymentem w fizyce kwantowej. Konsekwencje tych badań będą nadal ewoluować, w miarę jak naukowcy poszerzają granice naszej wiedzy o naturze rzeczywistości.
