Újabb mérföldkő a kvantumfizikában

A Brookhaven Nemzeti Laboratórium fizikusai az amerikai Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) részecskegyorsítójában olyan kísérleti eredményre bukkantak, amelyet korábban csak elméletben sejtettek: virtuális kvantum részecskékből valódi anyag keletkezhet — olyan, amit a detektorok ténylegesen észlelnek. Ez nem holmi sci-fi, hanem aktuális fizikai felfedezés.

Mi a kvantumvákum, és miért nem üres?

A klasszikus fizika fekete-fehér logikája szerint a vákuum az „üres tér”. A kvantummechanika és a kvantumtérelmélet viszont azt mondja: a vákuum sosem teljesen üres. Olyan energiaingadozások zajlanak benne, amelyek során rövid időre párokban részecskék és antirészecskék — úgynevezett virtuális részecskék — jönnek létre és tűnnek el. Ezeket a pillanatnyi jelenségeket korábban csak közvetett hatásaik alapján ismertük — most viszont egy kollaboráció közvetlenül kapcsolta össze őket a megfigyelhető részecskék létrejöttével.

Hogyan keletkezik a semmiből valami?

A részecskegyorsítóban protonokat gyorsítanak majdnem fénysebességre, és ütköztetik őket egymással. Ezek az ütközések robbanásszerű energiafelszabadulást hoznak létre, ami elegendő ahhoz, hogy a vákuumban felbukkanó virtuális részecskepárok energiát kapjanak, és valódi, mérhető részecskékké váljanak. A STAR nevű detektorral több millió proton–proton ütközést elemeztek. Különösen a lambda hiperonnak nevezett részecskéket és az antitest párjaikat (antilambda) vizsgálták — ezek olyan rövid életű részecskék, amelyeknek van egy kvantumjellemzőjük: spinjük, egy belső „forgásirányuk”).

A kvantum ujjlenyomat: spin-igazságvizsgálat

A virtuális kvark–antikvark párok, amelyek a vákuumban felbukkannak, mindig együtt, entangláltan, azaz spin szerint összehangoltan léteznek. Ha az ütközés során ezek a párok valós részecskékké alakulnak, akkor nyomukban a keletkező lambdák és antilambdák spinjeinek is össze kell hangolódniuk — mint kvantum-ikrek. És éppen ezt találták meg: amikor lambdák és antilambdák közel keletkeznek egymáshoz, a spinjeik 100%-ban összehangoltak — olyan precízen, ahogy az virtuális pár eredetileg “forgott” a vákuumban.

Ez meglepő, hiszen a legtöbb más részecskének véletlenszerű spinje van az ilyen ütközésekben — csak a vákuumból „átmentett” kvantum-információ ragadt meg ebben az esetben.

Miért nagy felfedezés ez?

Ez a megfigyelés első alkalommal kötött össze közvetlenül egy kísérleti jelet a kvantumvákumból származó állapotokkal — vagyis a látszólag „semmiből” való valódi anyaggá alakulással. Korábban tudtuk, hogy a vákuum tele van ingadozásokkal — most viszont először tanúi lettünk, hogy ezek az ingadozások miként öltenek testet valódi részecskékben, és sajátos kvantum-jellemzőik továbböröklődnek. Ez nemcsak a vákuum fizikai megértésének soron következő lépése, hanem egy ablak is a kvantum és klasszikus világ közötti átmenet megértésébe — hogyan lesz a kvantum „szellemtörténetből” tényleges matéria. A megfigyelést a vezető nemzetközi STAR Collaboration publikálta a Nature folyóiratban – ami önmagában is ritka elismerés.

Ez az eredmény még nem ad választ az Univerzum legnagyobb kérdéseire — például arra, miért van sokkal több anyag mint antianyag az univerzumban –, de új kísérleti eszközöket ad a fizikusok kezébe ezen kérdések vizsgálatához.

Források: Scientific American) (phys.org) (bnl.gov) (connectsci.au) Hashem-al Ghali Facebook, (Wikipedia)

A cikk az MI segítségével készült