世界上首臺粒子對撞機實驗表明，物質可從量子真空的"空無"中產生

這一發現為研究可見物質如何從真空形成開辟了新道路。

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

在研究過程中，布魯克海文實驗室研究人員分析了數百萬次質子-質子碰撞事件，特別關注被稱為λ超子及其反物質對應物的成對粒子。這些短壽命粒子對科學家尤為重要，因為它們與磁性相關的關鍵屬性——量子自旋方向——可以通過衰變方式重建。研究團隊發現，當λ超子與反λ超子在碰撞中緊密產生時，它們的自旋方向完全一致。

布魯克海文國家實驗室STAR物理學家、研究共同負責人涂周明博士表示："這項工作為我們觀察量子真空提供了獨特窗口，可能開啟理解可見物質形成及其基本屬性涌現的新紀元。"

從真空到現實

真空并非空無一物，而是充滿波動的能量場，這些能量場能產生糾纏的粒子-反粒子對。這些"虛擬"且具有內在關聯的粒子在能被觀測并確認為真實存在之前就已消失。

然而，當質子在RHIC內以近光速對撞時，會提供足夠能量將部分虛擬的夸克-反夸克對轉化為真實粒子。這些粒子可被STAR合作組的探測器追蹤到。

研究人員重點尋找λ超子及其反物質對應物——反λ超子，試圖確定這些粒子從RHIC碰撞中產生時，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，因為其自旋方向可通過衰變時質子或反質子的發射方向推斷。每個λ超子都含有一個奇異夸克（反λ超子則含奇異反夸克），這使物理學家能夠追溯其起源。

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聯，強烈表明它們內部的奇異夸克源自真空中的單個糾纏粒子對。

新罕布什爾大學物理學家揚·瓦內克博士說："通常RHIC碰撞產生的大多數粒子自旋方向是隨機的。我們正在海量粒子中尋找極其微小的差異，以發現自旋相關的λ/反λ超子對。"

量子關聯

研究團隊分析了數百萬次質子-質子碰撞，發現緊密產生的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，"瓦內克解釋道，"當它們在鄰近位置產生時，λ超子會保留誕生時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直接證據："令人驚嘆的是，糾纏態虛擬夸克的自旋關聯在轉化為真實物質的過程中得以保留。"

研究團隊認為，這種現象可能指向λ-反λ超子對之間更深層的量子糾纏。有趣的是，當粒子在RHIC碰撞中產生位置相距較遠時，這種效應會消失。

瓦內克推測："可能是這些相距較遠的'雙胞胎'更容易受到環境干擾，比如與其他夸克的相互作用，導致它們行為改變并喪失關聯性。"

研究人員表示，從量子關聯行為到經典物理的轉變是科學界最重要的未解之謎之一，對量子計算和信息技術具有深遠意義。這項發現為探索夸克如何結合形成質子、中子及其他粒子開辟了新途徑。

涂周明在新聞稿中總結道："這項技術可延伸至原子核碰撞實驗，以及未來的電子-離子對撞機研究。"

相關成果已發表于《自然》期刊。

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