Впервые наблюдаются частицы, вылетающие из пустого пространства.

Проследив происхождение необычной, короткоживущей частицы, исследователи получили одни из самых убедительных на сегодняшний день доказательств того, что масса может возникать из флуктуаций в вакууме.

Пара редких частиц, образовавшихся в результате столкновений протонов с высокой энергией, может быть самым убедительным доказательством того, что масса может возникать из пустого пространства. Это открытие может пролить свет на одну из самых больших загадок физики: как частицы приобретают свою массу.

Согласно квантовой хромодинамике (КХД) — теории, которая широко считается лучшей для описания сильного взаимодействия, связывающего кварки внутри протонов и нейтронов, — даже идеальный вакуум не является по-настоящему пустым. Вместо этого он заполнен кратковременными возмущениями в лежащей в основе энергии пространства, которые то появляются, то исчезают, известными как виртуальные частицы. К ним относятся пары кварк-антикварк.

В нормальных условиях эти мимолетные пары исчезают почти сразу после появления. Но если в вакуум ввести достаточно энергии, КХД предсказывает, что они могут превратиться в реальные, обнаруживаемые частицы с измеримой массой.

Теперь коллаборация STAR – международная группа физиков, работающих на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в штате Нью-Йорк – впервые наблюдала этот процесс.

Команда столкнула высокоэнергетические протоны в вакууме, в результате чего образовался поток частиц. Некоторые из этих частиц должны были бы представлять собой пары кварк-антикварк, извлеченные непосредственно из самого вакуума, но кварки никогда не могут существовать поодиночке и сразу же объединяться в составные частицы.

К счастью для команды, эти конкретные частицы содержат ключ к разгадке своего происхождения. Кварки и антикварки рождаются с коррелированными спинами — общим квантовым выравниванием, унаследованным от вакуума.

Исследователи обнаружили, что эта связь сохраняется даже после того, как кварки и антикварки становятся частью более крупных частиц, называемых гиперонами, которые распадаются менее чем за десятую долю миллиардной доли секунды. Обнаружение этих гиперонов с выровненными спинами после столкновений протонов позволило исследователям подтвердить, что кварки внутри них происходят из вакуума.

«Мы впервые видим весь процесс целиком», — говорит Чжоудунмин Ту, участник проекта STAR.

«Я очень рад увидеть эти результаты измерений», — говорит Даниэль Боер из Университета Гронингена в Нидерландах, который не принимал участия в работе. Он отмечает, что до сих пор остается много загадок, касающихся кварков, например, почему они не могут существовать поодиночке. «Именно это делает данный эксперимент особенно интересным».

Ту считает, что эта работа открывает новый способ непосредственного изучения свойств вакуума, что, как он надеется, позволит ученым изучать, как частицы приобретают массу. Теория КХД предсказывает, что кварки увеличивают свою массу за счет взаимодействия с самим вакуумом, но как именно это происходит, остается неясным.

Алессандро Бачетта из Университета Павии в Италии говорит, что результат пока не является окончательным, поскольку реконструкция событий, связанных со столкновениями частиц, может быть сложной задачей. По его словам, исследователи должны сначала исчерпывающе исключить другие возможности, которые могли привести к тому же сигналу.

Природа DOI: 10.1038/s41586-025-09920-0

Источник: www.newscientist.com