Как материя появляется из «ничего»? Эксперимент STAR заглянул внутрь процесса рождения частиц

В классическом понимании вакуум — это абсолютная пустота. На самом же деле, то что мы привыкли считать пустотой, с точки зрения Квантовой Хромодинамики (КХД) не является отсутствием материи. Напротив, это сложнейшая динамическая среда, обладающая собственной структурой, энергией и квантовыми характеристиками. Вакуум насыщен флуктуирующими полями и так называемым кварковым конденсатом — парами виртуальных кварков и антикварков, которые непрерывно возникают и аннигилируют.

Свойства вакуума напрямую определяют физику нашего мира. Именно взаимодействие элементарных частиц с этим конденсатом нарушает так называемую хиральную симметрию, что, в свою очередь, наделяет протоны и нейтроны массой. Без этого механизма атомы не могли бы существовать в привычном нам виде. Однако до сих пор процесс перехода виртуальных частиц из вакуума в реальную материю был не понятен для экспериментаторов.

Международная коллаборация STAR, работающая на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, представила результаты эксперимента, который меняет положение дел. Ученым удалось не только зафиксировать рождение материи из вакуума, но и измерить сохранение квантовой информации (спина) в этом процессе. Работа, опубликованная в журнале Nature, предоставляет первые прямые доказательства того, как именно квантовые числа вакуума наследуются реальными частицами.

Фундаментальная проблема: конфайнмент и невидимые процессы

В основе исследования лежит феномен конфайнмента (удержания цвета). Кварки — фундаментальные кирпичики материи — никогда не наблюдаются в свободном состоянии. Сильное ядерное взаимодействие связывает их внутри адронов (протонов, нейтронов и других частиц) настолько прочно, что попытка вырвать кварк наружу приводит лишь к рождению новых частиц.

Процесс, в ходе которого кварки объединяются в адроны, называется адронизацией. Это непертурбативный процесс: он происходит в области энергий, где стандартные математические методы теории возмущений перестают работать из-за сложности взаимодействий глюонных полей. Физики могут видеть начальное состояние (столкновение частиц) и конечное состояние (разлет осколков), но сам момент превращения кварка в адрон скрыт от прямого наблюдения.

Главный вопрос, который поставили перед собой исследователи STAR: можно ли использовать свойства конечных частиц, чтобы реконструировать состояние вакуума, из которого они родились? Если квантовая механика верна, то информация о спиновом состоянии исходных виртуальных пар не должна исчезать бесследно.

Механика эксперимента: спин как маркер

Для решения этой задачи физики использовали свойства спина — собственного момента импульса частиц. Согласно принципам КХД, вакуум обладает определенными квантовыми числами: его суммарный спин, четность и зарядовая сопряженность строго определены.

Это ограничивает виртуальные пары кварк-антикварк, составляющие вакуумный конденсат. В своей системе покоя такие пары обязаны иметь параллельные спины (находиться в триплетном состоянии). Это теоретическое предсказание, которое требовало экспериментальной проверки.

Эксперимент строился на следующей логике:

1. Возбуждение вакуума: в коллайдере разгоняют протоны до околосветовых скоростей (энергия столкновения 200 ГэВ). При столкновении происходит передача огромной энергии в малый объем пространства, что выбивает виртуальные пары из вакуумного конденсата, превращая их в реальные частицы.
2. Выбор объекта: ученые сосредоточились на парах странных кварков (s) и антикварков (анти-s). В отличие от легких кварков (u и d), из которых состоят протоны, странные кварки тяжелее и их проще идентифицировать.
3. Адронизация: странные кварки, став реальными, мгновенно проходят процесс адронизации, образуя лямбда-гипероны (Λ и анти-Λ).
4. Измерение: уникальность Λ-гиперона заключается в его спиновой структуре. Согласно кварковой модели, спин этой частицы практически полностью определяется спином содержащегося в ней странного кварка.

Получается, если измерить корреляцию спинов между Λ и анти-Λ гиперонами, можно узнать, были ли скоррелированы спины исходных s и анти-s кварков в тот момент, когда они еще были частью вакуума.

Анализ данных и результаты

Детектор STAR представляет собой огромный трековый комплекс, способный восстанавливать траектории тысяч заряженных частиц. Поскольку Λ-гипероны электрически нейтральны и живут крайне мало (порядка 10⁻¹⁰ секунды), их обнаруживают по продуктам распада: протону и пиону. Направление вылета этих продуктов жестко связано с направлением спина родительского гиперона, что позволяет восстановить его ориентацию с высокой точностью.

Проанализировав миллионы событий столкновений, физики выделили пары гиперонов и измерили угол между их спинами.

В результате, для пар частиц, которые образовались и разлетелись с близкими кинематическими параметрами, наблюдалась сильная спиновая корреляция. Коэффициент относительной поляризации составил около 18% (с погрешностью +-4%).

Это число подтверждает два факта:

1. Исходные виртуальные пары кварков в вакууме действительно находятся в состоянии с параллельными спинами, как и предсказывает теория хирального конденсата.
2. Квантовая корреляция (запутанность) сохраняется в процессе адронизации. Несмотря на хаос сильных взаимодействий и рождение множества глюонов, спиновая информация передается от кварка к адрону практически без потерь.

Эффект декогеренции

Не менее важным результатом стало наблюдение за тем, как корреляция исчезает. Физики обнаружили, что спиновая связь наблюдается только для пар, находящихся близко друг к другу в фазовом пространстве. Если же импульсы частиц или углы их разлета значительно отличались, корреляция падала до нуля.

Это классическое проявление квантовой декогеренции. Как только квантовая система начинает активно взаимодействовать с окружающей средой (в данном случае — с другими частицами и полями, рожденными в столкновении), она теряет свою когерентность. Запутанное состояние разрушается, и частицы начинают вести себя как независимые объекты. Тот факт, что эксперимент смог поймать момент до наступления полной декогеренции, открывает новые возможности для изучения динамики квантовых систем.

Значение для физики высоких энергий

Последствия для понимания устройства материи:

1. Проверка теории массы

Механизм Хиггса объясняет наличие массы у фундаментальных частиц, но он отвечает лишь за малую часть массы видимой Вселенной. Основная масса протона (около 99%) возникает именно из энергии взаимодействия кварков и глюонов, а также из нарушения хиральной симметрии в вакууме. Эксперимент STAR предоставил новый инструмент для зондирования этого механизма. Подтверждение спиновой структуры вакуумных пар является прямой верификацией моделей, описывающих генерацию адронной массы.

2. Кризис спина протона

Долгое время физики не могли понять, почему спин протона не складывается арифметически из спинов трех составляющих его кварков (так называемая «загадка спина протона»). Результаты STAR показывают, что в случае с гиперонами передача спина от кварка к частице идет по предсказуемому сценарию. Это дает надежду, что аналогичные методы помогут разобраться и в структуре протона, отделив вклад валентных кварков от вклада глюонного моря и орбитального момента.

3. Квантовая информатика на субатомном уровне

Исследование фактически демонстрирует возможность наблюдения квантовой запутанности в ядерных процессах при высоких энергиях. Это переводит изучение адронизации из разряда чистой феноменологии в область квантовой теории информации. Пары Λ-гиперонов могут служить естественной лабораторией для проверки неравенств Белла и изучения нелокальности в сильных взаимодействиях.

Заключение

Работа коллаборации STAR — это переход от косвенных наблюдений к прямым измерениям свойств вакуума КХД. Мы получили подтверждение того, что вакуум обладает сложной внутренней архитектурой, которая строит правила поведения рождающейся материи.

Дальнейшие исследования на RHIC и будущем Электрон-ионном коллайдере (EIC) будут направлены на то, чтобы выяснить, как эта корреляция зависит от энергии и можно ли использовать её для поиска новых состояний материи.

Источник:Nature