Próżnia była przez długi czas uznawana za całkowicie pustą przestrzeń. Współczesna fizyka pokazuje jednak inny obraz. Dziś już wiemy, że próżnia jest wypełniona fluktuującymi polami energii, które prowadzą do powstawania par cząstek i antycząstek (materii i antymaterii). Te struktury istnieją bardzo krótko i zwykle nie mogą zostać wykryte.
Nowe badanie wskazuje jednak, że podczas zderzeń protonów niektóre z tych par uzyskują wystarczającą energię, aby przekształcić się w rzeczywiste cząstki materii. Eksperyment został przeprowadzony w akceleratorze Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) w Brookhaven – ośrodku naukowym Departamentu Energii USA, przeznaczonym do badań fizyki jądrowej. Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie „Nature”.
Co udało się odkryć naukowcom w sprawie powstawania materii z „niczego”?
W nowym badaniu fizycy poszukiwali tzw. hiperonów lambda (są to nietrwałe cząstki elementarne) i ich antymaterialnych odpowiedników – antylambd. Naukowcy chcieli sprawdzić, czy i w jakim stopniu spiny (spin – moment pędu cząstki) tych cząstek są wyrównane w momencie ich powstawania w zderzeniach w akceleratorze RHIC. Analiza milionów zderzeń protonów pokazała wyraźny efekt. Okazało się, że gdy lambdy i antylambdy powstają blisko siebie w wyniku zderzenia, ich spiny są w 100 proc. wyrównane. Oznacza to, że kwarki tworzące te cząstki zachowały wiązania spinowe powstałe jeszcze w próżni kwantowej.
Czytaj więcej
W jaki sposób czarne dziury we wczesnym wszechświecie osiągały tak szybko gigantyczne rozmiary? To jedna z największych zagadek astronomii, którą w...
Jan Vanek, jeden z autorów eksperymentu porównał te pary cząstek do kwantowych bliźniaków, które nawet po przekształceniu w rzeczywiste cząstki zachowują wspólne właściwości. Naukowcy zaobserwowali też, że gdy cząstki powstawały dalej od siebie, nie były już skorelowane spinowo.
– Możliwe, że takie bliźniacze cząstki oddalone od siebie silniej oddziałują z otoczeniem, np. z innymi kwarkami, co powoduje utratę ich powiązania – powiedział Vanek. – Potrzebujemy dalszych pomiarów, aby sprawdzić, czy jest to mieszanina stanów splątanych, czy raczej klasyczna korelacja – dodał.
Czy teraz fizyka się zmieni?
Powiązanie między próżnią kwantową a zwykłymi cząstkami wykrytymi w RHIC może dać naukowcom możliwość zbadania przejścia materii ze stanu kwantowego do klasycznego. Ten obszar badań ma duże znaczenie dla technologii kwantowych oraz informatyki kwantowej. To jednak nie wszystko. Jednym z głównych wyzwań fizyki jądrowej jest wyjaśnienie, jak swobodne kwarki tworzą związane cząstki takie jak protony, neutrony i hiperony. Nowe podejście otwiera również drogę do zbadania kluczowych kwestii dotyczących podstaw powstawania materii i struktury we wszechświecie.
Zdaniem naukowców tę metodę badania będzie można wykorzystać nawet do bardziej złożonych struktur, takich jak jądra atomowe. W przyszłości podobne analizy będą prowadzone także w nowych ośrodkach badawczych.
