Одна з найголовніших загадок фізики: уперше виявлено частинки, що виникають із порожнечі

Пара частинок, що утворюються в результаті зіткнень високоенергетичних протонів, може стати найпереконливішим доказом того, що маса може виникати з порожнього простору. Це відкриття може пролити світло на одну з найбільших загадок фізики: як частинки набувають своєї маси, пише Фокус.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Атоми і кварки

Нагадуємо, що атоми складаються з нейтронів і протонів, а ті зі свого боку складаються з фундаментальних частинок під назвою кварки. У кожної частинки є свій дзеркальний двійник з антиматерії — античастинка. Коли вони зустрічаються, то знищують одна одну з виділенням енергії. Квантова механіка описує поведінку субатомних частинок.

Ідеальний вакуум не зовсім порожній

Згідно з квантовою хромодинамікою, теорією, яка вважається найкращою для опису сильної взаємодії, що зв'язує кварки всередині протонів і нейтронів, навіть ідеальний вакуум не є по-справжньому порожнім. Варто сказати, що сильна взаємодія є найпотужнішою з чотирьох головних взаємодій у Всесвіті, поряд із гравітацією, слабкою та електромагнітною взаємодією. Вона забезпечує стабільність матерії.

Згідно з квантовою хромодинамікою, навіть ідеальний вакуум заповнений короткочасними збуреннями у квантових полях, які то з'являються, то зникають. Вони називаються віртуальними частинками.

Віртуальні частинки: що це?

Віртуальні частинки — це, мабуть, найдивніші об'єкти у фізиці. Якщо звичайні частинки постійно існують у Всесвіті, то віртуальні частинки з'являються з нізвідки і зникають у нікуди за надзвичайно короткий час. Фізики використовують віртуальні частинки для опису взаємодій між звичайними частинками. Віртуальні частинки виникають з енергії простору.

Навіть у порожнечі, тобто в ідеальному вакуумі, постійно народжуються і одразу ж взаємно знищуються пари, які складаються з віртуальних частинок і античастинок. Цей процес називається флуктуацією вакууму.

Серед віртуальних частинок, якими заповнений ідеальний вакуум, є й пари кварк-антикварк. У нормальних умовах ці пари зникають майже одразу після появи. Але якщо у вакуум ввести достатньо енергії, то, як передбачає квантова хромодинаміка, віртуальні частинки можуть перетворитися на реальні частинки з вимірюваною масою, які можна побачити.

Уперше виявлено частинки, що виникають із порожнього простору

Тепер фізики з Брукхейвенської національної лабораторії США вперше спостерігали появу частинок із порожнього простору. Вчені за допомогою прискорювача частинок зіштовхнули між собою високоенергетичні протони у вакуумі, що призвело до створення потоку частинок, деякі з яких мали б являти собою пари кварк-антикварк, витягнуті безпосередньо з самого вакууму. Але кварки ніколи не можуть існувати поодинці і відразу ж об'єднуватися в складові частинки.

На щастя для фізиків, ці конкретні частинки містять ключ до розуміння свого походження. Кварки й антикварки народжуються зі спільним квантовим вирівнюванням, успадкованим від вакууму.

Фізики виявили, що цей зв'язок зберігається навіть після того, як кварки й антикварки стають частиною більших частинок, званих гіперонами, які розпадаються менш ніж за десяту частку мільярдної частки секунди. Виявлення цих гіперонів після зіткнень протонів дало змогу вченим підтвердити, що кварки всередині них походять із вакууму.

Фізики вважають, що це відкриття допоможе краще вивчити властивості вакууму, що дасть змогу вченим зрозуміти, як частинки набувають маси. Теорія квантової хромодинаміки пророкує, що кварки отримують більшу частину своєї маси, взаємодіючи з самим вакуумом, але як саме це відбувається, поки що залишається незрозумілим.

Як уже писав Фокус, новатеорія кидає виклик основній ідеї квантової фізики, згідно з якою всі події відбуваються випадково. Ймовірно, це зовсім не так.

Також Фокус писав про те, що астрономи вперше побачили, як галактика втратила 95% світла через голодну чорну діру.

Під час написання матеріалу використано джерела: Nature, New Scientist.