Одна из самых главных загадок физики: впервые обнаружены частицы, возникающие из пустоты

Пара частиц, образующихся в результате столкновений высокоэнергетических протонов, может стать самым убедительным доказательством того, что масса может возникать из пустого пространства. Это открытие может пролить свет на одну из самых больших загадок физики: как частицы приобретают свою массу, пишет Фокус.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Атомы и кварки

Напоминаем, что атомы состоят из нейтронов и протонов, а те в свою очередь состоят из фундаментальных частиц под названием кварки. У каждой частицы есть свой зеркальный двойник из антиматерии – античастица. Когда они встречаются, то уничтожают друг друга с выделением энергии. Квантовая механика описывает поведение субатомных частиц.

Идеальный вакуум не совсем пустой

Согласно квантовой хромодинамике, теории, которая считается лучшей для описания сильного взаимодействия, связывающего кварки внутри протонов и нейтронов, даже идеальный вакуум не является по-настоящему пустым. Стоит сказать, что сильное взаимодействие является самым мощным из четырех главных взаимодействий во Вселенной, наряду с гравитацией, слабым и электромагнитным взаимодействием. Оно обеспечивает стабильность материи.

Согласно квантовой хромодинамике, даже идеальный вакуум заполнен кратковременными возмущениями в квантовых полях, которые то появляются, то исчезают. Они называются виртуальными частицами.

Виртуальные частицы: что это?

Виртуальные частицы — это, пожалуй, самые странные объекты в физике. Если обычные частицы постоянно существуют во Вселенной, то виртуальные частицы появляются из ниоткуда и исчезают в никуда за чрезвычайно короткое время. Физики используют виртуальные частицы для описания взаимодействий между обычными частицами. Виртуальные частицы возникают из энергии пространства.

Даже в пустоте, то есть в идеальном вакууме постоянно рождаются и тут же взаимно уничтожаются пары, состоящие из виртуальных частиц и античастиц. Этот процесс называется флуктуацией вакуума.

Среди виртуальных частиц, которыми заполнен идеальный вакуум, есть и пары кварк-антикварк. В нормальных условиях эти пары исчезают почти сразу после появления. Но если в вакуум ввести достаточно энергии, то, как предсказывает квантовая хромодинамика, виртуальные частицы могут превратиться в реальные частицы с измеримой массой, которые можно увидеть.

Впервые обнаружены частицы, возникающие из пустого пространства

Теперь физики из Брукхейвенской национальной лаборатории США впервые наблюдали появление частиц из пустого пространства. Ученые с помощью ускорителя частиц столкнули между собой высокоэнергетические протоны в вакууме, что привело к созданию потока частиц, некоторые из которых должны были представлять собой пары кварк-антикварк, извлеченные непосредственно из самого вакуума. Но кварки никогда не могут существовать поодиночке и сразу же объединяться в составные частицы.

К счастью для физиков, эти конкретные частицы содержат ключ к пониманию своего происхождения. Кварки и антикварки рождаются с общим квантовым выравниванием, унаследованным от вакуума.

Физики обнаружили, что эта связь сохраняется даже после того, как кварки и антикварки становятся частью более крупных частиц, называемых гиперонами, которые распадаются менее чем за десятую долю миллиардной доли секунды. Обнаружение этих гиперонов после столкновений протонов позволило ученым подтвердить, что кварки внутри них происходят из вакуума.

Физики считают, что это открытие поможет лучше изучить свойств вакуума, что позволит ученым понять, как частицы приобретают массу. Теория квантовой хромодинамики предсказывает, что кварки получают большую часть своей массы, взаимодействуя с самим вакуумом, но как именно это происходит, пока остается неясным.

Как уже писал Фокус, новая теория бросает вызов основной идее квантовой физики, согласно которой все события происходят случайно. Вероятно, это совсем не так.

Также Фокус писал о том, что астрономы впервые увидели, как галактика потеряла 95% света из-за голодной черной дыры.

При написании материала использованы источники: Nature, New Scientist.