На RHIC пары странных кварков из вакуума показали параллельные спины, как предсказано 30 лет назад

Группа из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщила в Nature, что напрямую проследила, как со временем развиваются частицы, возникающие из вакуума, пишет spektrum.de. На Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) исследователи измерили необычно много пар частиц с одинаково направленным спином spektrum.despektrum.despektrum.deОткрыть источник ↗. По мнению авторов, эти пары — прямые потомки виртуальных частиц, спонтанно возникших из вакуума.

Виртуальные частицы и столкновения

Виртуальные частицы следуют из соотношения неопределённостей Гейзенберга: энергию и время жизни квантового состояния нельзя одновременно задать точно. Если состояние очень короткоживущее, его энергия может сильно флуктуировать. Тогда частица и её античастица могут ненадолго возникнуть, «заняв» энергию, и обычно почти сразу аннигилируют.

На RHIC протоны сталкиваются с большой кинетической энергией. Если во время столкновения в вакууме случайно возникает виртуальная пара, она может использовать энергию столкновения, чтобы стать реальной парой. «Вакуум в квантовой теории — не пустое пространство, — объяснил Дмитрий Харзеев из Университета Стони-Брук. — Это поле, заполненное виртуальными частицами».

Как измеряли спины

Эксперимент отслеживал странные кварки. Они рождаются парами, запутаны между собой и сохраняют одинаковую ориентацию спина после разлёта spektrum.despektrum.despektrum.deОткрыть источник ↗. Одиночные кварки нестабильны и быстро объединяются с другими в лямбда-гипероны, которые содержат один верхний, один нижний и один странный кварк вместо двух верхних и одного нижнего.

Лямбда-гипероны существуют лишь около 10⁻¹⁰ секунды. За это время они проходят в ускорителе несколько сантиметров и распадаются на обычные частицы, которые регистрирует детектор. Направление полёта этих частиц показывает спин лямбда-гиперона, а значит, и исходного странного кварка, поскольку спины верхнего и нижнего кварков взаимно компенсируются.

Исследователей удивило, насколько сильно спины выстроены друг относительно друга. «Их спины выглядят параллельными», — сказал Ян Ванек из Университета Нью-Гэмпшира, соавтор работы. Результат подтверждает 30-летнее предсказание Харзеева и коллег о том, что виртуальные пары странных кварков имеют параллельные спины.

Авторы связывают результат и с происхождением массы протона. Три кварка протона вносят в неё лишь малую часть; более 90 процентов, предположительно, возникает из взаимодействий трёх реальных кварков с множеством виртуальных частиц вакуума. Чжоудунмин Ту из Брукхейвена отметил, что наблюдение за переходом кварковой пары от виртуальной к реальной может дать представление о том, как это происходит.

RHIC должен быть остановлен в феврале 2026 года после 25 лет работы. Части машины будут использованы в новом электрон-ионном коллайдере Брукхейвена, который планируют ввести в строй в середине 2030-х годов.