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 kvantumrészecskékből 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 – 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, belső „forgásirányuk”.
A kvantum-ujjlenyomat: spin-igazságvizsgálat
A virtuális kvark–antikvark párok, amelyek a vákuumban felbukkannak, mindig együtt, összefonódva, azaz spinjük szerint összehangoltan léteznek. Ha az ütközés során ezek a párok valós részecskékké alakulnak, akkor nyomukban a keletkező lambdák és antilambdák (mint kvantum-ikrek) spinjeinek is össze kell hangolódniuk. És éppen ezt találták meg: amikor lambdák és antilambdák egymáshoz nagyon közel keletkeznek, a spinjeik százszázalékban összehangoltak – annyira precízen, ahogy a 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 kvantumvákuumból 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 ablak is a kvantum- és a 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, hogy miért van sokkal több anyag mint antianyag az univerzumban –, de új kísérleti eljárásokat nyújt a fizikusoknak e kérdések alaposabb vizsgálatához.
Források: Scientific American) (phys.org) (bnl.gov) (connectsci.au) Hashem-al Ghali; Facebook, (Wikipedia)