Физичари прате честице назад до квантног вакуума
Научници су пронашли „чудне кваркове“ који су настали као виртуелне честице настале из ничега
Парови чудних кваркова настају из ничега у квантном вакууму.
Валерие А. Лентз/Броокхавен Натионал Лаборатори
Квантна физика осликава чудну слику света, испуњену сабласним везама, узнемирујућим неизвесностима и — што је можда најчудније од свега — честицама које спонтано настају из празнине. Ове такозване „виртуелне“ честице имају индиректне ефекте које су научници раније мерили. Али сада, по први пут, истраживачи су директно пратили еволуцију ових честица нешто-из-ништа.
Физичари у Релативистичком сударачу тешких јона (РХИЦ) у Националној лабораторији Броокхејвен на Лонг Ајленду пронашли су парове субатомских честица са необичном корелацијом у правцу њиховог окретања. Спин честице је квантно својство које може усмеравати нагоре или надоле. Већина група честица имаће насумичне мешавине окретаја нагоре и надоле, али истраживачи су открили да одређена врста честица произведена у сударачу често долази у паровима са одговарајућим смеровима окретања.
Ови парови, сматрају научници, морају бити директни потомци скупова виртуелних честица које су спонтано настале ни из чега из квантног вакуума.
О подршци научном новинарству
Ако уживате у овом чланку, размислите о томе да подржите наше награђивано новинарство претплата. Куповином претплате помажете да се обезбеди будућност упечатљивих прича о открићима и идејама које данас обликују наш свет.
„Вакум у квантној теорији није празан простор“, каже физичар Дмитриј Харзејев са Универзитета Стонибрук. „То је поље испуњено виртуелним честицама.“ Такве честице су последица Хајзенберговог принципа неизвесности, који каже да се одређена корелирана својства — као што су енергија и животни век квантног стања — не могу обоје прецизно познавати. Ако је квантно стање веома, веома кратко, онда његова енергија може бити веома неизвесна. То значи да парови честица — честица и њен партнер антиматерије — могу накратко настати позајмљивањем енергије из ничега.
Обично ове честице скоро одмах поново нестају уништавајући једна другу. Али не овај пут.
У оквиру РХИЦ-а, научници разбијају протоне скоро брзином светлости да би произвели експлозије задивљујуће енергије. Када се деси да пар виртуелних честица настане у вакууму, он може да искористи слободно доступну енергију судара да постане стварна. „Када се две честице сударе при високим енергијама, то вакууму даје енергетски подстицај“, каже физичар из Броокхевена Зхоудунминг (Конг) Ту, који је ко-водио нову студију. „Сада виртуелне честице добијају притисак без потребе да се униште назад у вакуум.“
Користећи соленоидни трагач на РХИЦ (СТАР) детектору, физичари су успели да прате овај процес. Ипак, детаљи о томе како би вам могли завртети у глави.
Пошто су ове нове стварне честице настале као пар, оне су уплетене, задржавајући везу без обзира колико далеко могу бити раздвојене. Дакле, када се разлете након судара, деле исти смер окретања.
Експеримент је пратио парове чудних кваркова – рођака горе и доле кваркова који чине протоне и неутроне. Кваркови сами по себи нису стабилни, па када су нови кваркови настали, брзо су се удружили са другима да би формирали конгломератне честице зване Ламбда хиперони. Ово су егзотичне верзије протона које садрже горе, доле и чудан кварк уместо два протона горе и доле.
Ламбде, заузврат, саме нису тако стабилне. Трају само око 10-10 секунди, путујући неколико центиметара унутар сударача пре него што се распадне на више земаљске честице које СТАР може да види.
Правац импулса за ове честице распада открива спин ламбда хиперона који их је створио. Сматра се да је спин ламбде одређен искључиво спином његовог чудног кварка (јер се спин његових горе и доле кваркова поништава).
Када су истраживачи погледали њихова мерења, били су изненађени колико су ове честице повезане. „Њихови обрти изгледају као да су паралелни“, каже коаутор Јан Ванек, физичар са Универзитета у Њу Хемпширу. „То наговештава да заправо видимо ове вакуумске чудне парове кваркова који се налазе у овим ламбда хиперонима.“
Ово откриће потврђује 30-годишње предвиђање Харзејева и његових колега да чудни парови виртуелних честица кварка морају имати паралелне окрете. „То је узбудљиво јер можете смислити уверљиве теоријске идеје у својој глави, али никада не знате да ли природа ово следи или не“, каже он. „Дакле, видети да је ово коначно измерено у правом експерименту је веома задовољавајуће.“
Овај нови прозор виртуелних честица требало би да помогне у одговору на велику мистерију у нуклеарној физици: одакле долази маса протона? Три кварка која формирају протоне доприносе само малој количини масе — сматра се да осталих 99 процената настаје интеракцијом између ових стварних кваркова и ројева виртуелних кваркова у вакууму. „Ако можемо да пратимо пар кваркова од виртуелне честице до стварне честице, можда бисмо могли да стекнемо увид у то како се ова маса генерише кроз интеракцију са вакуумом“, каже Ту.
Ово откриће такође означава још једно достигнуће за РХИЦ док се колајдер спрема да се искључи. Петак ће бити његов последњи дан судара, након рекордних 25 година дуге вожње. Делови машине ће бити пренамењени у новом електрон-јонском сударачу који ће бити пуштен у рад у Брукхејвену средином 2030-их.
Време је да се заузмемо за науку
Ако вам се допао овај чланак, замолио бих вас за подршку. Сциентифиц Америцан служио је као заговорник науке и индустрије 180 година, а управо сада је можда најкритичнији тренутак у тој двовековној историји.
Био сам а Сциентифиц Америцан претплатник од моје 12 година, и то је помогло у обликовању начина на који гледам на свет. СциАм увек ме образује и одушевљава, и изазива осећај страхопоштовања према нашем огромном, предивном универзуму. Надам се да ће то учинити и за вас.
Ако ти претплатите се на Сциентифиц Америцанпомажете да осигурамо да је наша покривеност усредсређена на смислена истраживања и открића; да имамо ресурсе да извештавамо о одлукама које прете лабораторијама широм САД; и да подржавамо и надобудне и запослене научнике у време када вредност саме науке пречесто остаје непризната.
Заузврат, добијате важне вести, задивљујући подкасти, бриљантна инфографика, не смете пропустити билтене, видео снимке које морате погледати, изазовне игре и најбоље писање и извештавање у свету науке. Можете чак поклонити некоме претплату.
Никада није било важнијег тренутка да устанемо и покажемо зашто је наука важна. Надам се да ћете нас подржати у тој мисији.
