世界上首臺粒子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，物質(zhì)可從量子真空的"空無"中產(chǎn)生

這一發(fā)現(xiàn)為研究可見物質(zhì)如何從真空形成開辟了新道路。

美國物理學(xué)家最近解開了這一長期存在的謎題，他們捕獲了罕見實(shí)驗(yàn)證據(jù)，將量子世界中短暫存在的虛擬"空無"與真實(shí)可探測物質(zhì)的形成聯(lián)系起來。這一發(fā)現(xiàn)由美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）的相對論重離子對撞機(jī)（RHIC）STAR合作組完成。RHIC是全球首臺重離子對撞機(jī)。

在研究過程中，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室研究人員分析了數(shù)百萬次質(zhì)子-質(zhì)子碰撞事件，特別關(guān)注被稱為λ超子及其反物質(zhì)對應(yīng)物的成對粒子。這些短壽命粒子對科學(xué)家尤為重要，因?yàn)樗鼈兣c磁性相關(guān)的關(guān)鍵屬性——量子自旋方向——可以通過衰變方式重建。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)λ超子與反λ超子在碰撞中緊密產(chǎn)生時(shí)，它們的自旋方向完全一致。

布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室STAR物理學(xué)家、研究共同負(fù)責(zé)人涂周明博士表示："這項(xiàng)工作為我們觀察量子真空提供了獨(dú)特窗口，可能開啟理解可見物質(zhì)形成及其基本屬性涌現(xiàn)的新紀(jì)元。"

從真空到現(xiàn)實(shí)

真空并非空無一物，而是充滿波動的能量場，這些能量場能產(chǎn)生糾纏的粒子-反粒子對。這些"虛擬"且具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的粒子在能被觀測并確認(rèn)為真實(shí)存在之前就已消失。

然而，當(dāng)質(zhì)子在RHIC內(nèi)以近光速對撞時(shí)，會提供足夠能量將部分虛擬的夸克-反夸克對轉(zhuǎn)化為真實(shí)粒子。這些粒子可被STAR合作組的探測器追蹤到。

研究人員重點(diǎn)尋找λ超子及其反物質(zhì)對應(yīng)物——反λ超子，試圖確定這些粒子從RHIC碰撞中產(chǎn)生時(shí)，其自旋是否及在何種程度上保持一致。λ超子是自旋研究的理想對象，因?yàn)槠渥孕较蚩赏ㄟ^衰變時(shí)質(zhì)子或反質(zhì)子的發(fā)射方向推斷。每個(gè)λ超子都含有一個(gè)奇異夸克（反λ超子則含奇異反夸克），這使物理學(xué)家能夠追溯其起源。

虛擬的奇異夸克-反夸克對總是自旋方向一致。在λ-反λ超子對中檢測到同樣的自旋關(guān)聯(lián)，強(qiáng)烈表明它們內(nèi)部的奇異夸克源自真空中的單個(gè)糾纏粒子對。

新罕布什爾大學(xué)物理學(xué)家揚(yáng)·瓦內(nèi)克博士說："通常RHIC碰撞產(chǎn)生的大多數(shù)粒子自旋方向是隨機(jī)的。我們正在海量粒子中尋找極其微小的差異，以發(fā)現(xiàn)自旋相關(guān)的λ/反λ超子對。"

量子關(guān)聯(lián)

研究團(tuán)隊(duì)分析了數(shù)百萬次質(zhì)子-質(zhì)子碰撞，發(fā)現(xiàn)緊密產(chǎn)生的λ超子與反λ超子具有完全一致的自旋方向，這與真空中的虛擬夸克/反夸克對特性相同。

"這些粒子對就像從量子雙胞胎起步，"瓦內(nèi)克解釋道，"當(dāng)它們在鄰近位置產(chǎn)生時(shí)，λ超子會保留誕生時(shí)虛擬奇異夸克的自旋方向。"

涂周明指出，這是證明這些夸克源自量子真空的首個(gè)直接證據(jù)："令人驚嘆的是，糾纏態(tài)虛擬夸克的自旋關(guān)聯(lián)在轉(zhuǎn)化為真實(shí)物質(zhì)的過程中得以保留。"

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種現(xiàn)象可能指向λ-反λ超子對之間更深層的量子糾纏。有趣的是，當(dāng)粒子在RHIC碰撞中產(chǎn)生位置相距較遠(yuǎn)時(shí)，這種效應(yīng)會消失。

瓦內(nèi)克推測："可能是這些相距較遠(yuǎn)的'雙胞胎'更容易受到環(huán)境干擾，比如與其他夸克的相互作用，導(dǎo)致它們行為改變并喪失關(guān)聯(lián)性。"

研究人員表示，從量子關(guān)聯(lián)行為到經(jīng)典物理的轉(zhuǎn)變是科學(xué)界最重要的未解之謎之一，對量子計(jì)算和信息技術(shù)具有深遠(yuǎn)意義。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為探索夸克如何結(jié)合形成質(zhì)子、中子及其他粒子開辟了新途徑。

涂周明在新聞稿中總結(jié)道："這項(xiàng)技術(shù)可延伸至原子核碰撞實(shí)驗(yàn)，以及未來的電子-離子對撞機(jī)研究。"

相關(guān)成果已發(fā)表于《自然》期刊。

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