Vědci poprvé pozorovali vznik částic z prázdného prostoru: Klíč k záhadě hmotnosti

Vědci v Relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC) v Brookhavenské národní laboratoři v New Yorku poprvé pozorovali vznik částic přímo z prázdného prostoru. Tento objev, o kterém informovala spolupráce STAR, potvrzuje dlouholetou předpověď kvantové chromodynamiky.

Vědci v Relativistickém urychlovači těžkých iontů (RHIC) v Brookhavenské národní laboratoři v New Yorku poprvé pozorovali vznik částic přímo z prázdného prostoru. Tento objev, o kterém informovala spolupráce STAR, potvrzuje dlouholetou předpověď kvantové chromodynamiky. Během vysokoenergetických srážek protonů v detektoru Solenoidal Tracker (STAR) byly detekovány vzácné páry kvarků a antikvarků, které se vytvořily přímo z vakua, nikoli z kolidujících protonů.

Toto zjištění představuje dosud nejjasnější důkaz, že hmota může vznikat z toho, co klasická fyzika považuje za prázdný prostor. Může tak pomoci odpovědět na jednu z největších záhad fyziky: jak částice získávají hmotnost. Kvantová chromodynamika, zavedená teorie silné interakce, která váže kvarky uvnitř protonů a neutronů, předpokládá, že dokonalé vakuum není prázdné. Obsahuje neustálé fluktuace známé jako virtuální částice, včetně krátkodobých párů kvarků a antikvarků. Za běžných podmínek se tyto páry objevují a mizí téměř okamžitě. Pokud je však dodáno dostatečné množství energie, teorie předpovídá, že se mohou stát skutečnými částicemi s měřitelnou hmotností.

V experimentu STAR generovaly srážky protonů kaskádu částic. Jelikož volné kvarky nemohou existovat izolovaně, kvarky vzniklé z vakua se okamžitě spojily do složených částic zvaných hyperony. Tým STAR objevil klíčový důkaz ve formě kvantové vlastnosti spinu těchto částic. Kvarky a antikvarky zrozené z vakua nesly korelované spiny – sdílené uspořádání vtisknuté při jejich vzniku. Tato korelace přežila, když se kvarky formovaly v hyperony, a přetrvala i poté, co se hyperony rozpadly za méně než desetinu miliardtiny sekundy. Detekce těchto spinově zarovnaných hyperonů umožnila týmu vystopovat původ kvarků k vakuu, nikoli k původním úlomkům srážky. „Je to poprvé, co jsme viděli celý proces,“ vysvětlil Zhoudunming You, člen spolupráce STAR.

Výsledek má významný dopad na jednu z ústředních hádanek fyziky: původ hmotnosti částic. Kvantová chromodynamika předpovídá, že kvarky získávají většinu své hmotnosti prostřednictvím interakcí s vakuem, avšak přesný mechanismus za tímto jevem zůstával nejasný. Nové pozorování poskytuje přímý experimentální nástroj pro studium těchto vakuových interakcí. Je však třeba poznamenat, že výsledky zatím nejsou definitivní, neboť vědci musí vyloučit další faktory, které mohly signál způsobit. Budoucí experimenty v Relativistickém urychlovači těžkých iontů a doplňkové experimenty v jiných zařízeních se zaměří na upřesnění těchto zjištění. Nový výzkum nicméně otevírá novou experimentální cestu ke studiu vlastností vakua a procesu generování hmotnosti předpovězeného kvantovou chromodynamikou. Práce spolupráce STAR představuje první přímé pozorování hmoty odvozené z vakua a připravuje půdu pro další testy teorie na energetické hranici.