世界上首台粒子对撞机实验表明，物质可从量子真空的"空无"中产生

这一发现为研究可见物质如何从真空形成开辟了新道路。

美国物理学家最近解开了这一长期存在的谜题，他们捕获了罕见实验证据，将量子世界中短暂存在的虚拟"空无"与真实可探测物质的形成联系起来。这一发现由美国能源部布鲁克海文国家实验室（BNL）的相对论重离子对撞机（RHIC）STAR合作组完成。RHIC是全球首台重离子对撞机。

在研究过程中，布鲁克海文实验室研究人员分析了数百万次质子-质子碰撞事件，特别关注被称为λ超子及其反物质对应物的成对粒子。这些短寿命粒子对科学家尤为重要，因为它们与磁性相关的关键属性——量子自旋方向——可以通过衰变方式重建。研究团队发现，当λ超子与反λ超子在碰撞中紧密产生时，它们的自旋方向完全一致。

布鲁克海文国家实验室STAR物理学家、研究共同负责人涂周明博士表示："这项工作为我们观察量子真空提供了独特窗口，可能开启理解可见物质形成及其基本属性涌现的新纪元。"

从真空到现实

真空并非空无一物，而是充满波动的能量场，这些能量场能产生纠缠的粒子-反粒子对。这些"虚拟"且具有内在关联的粒子在能被观测并确认为真实存在之前就已消失。

然而，当质子在RHIC内以近光速对撞时，会提供足够能量将部分虚拟的夸克-反夸克对转化为真实粒子。这些粒子可被STAR合作组的探测器追踪到。

研究人员重点寻找λ超子及其反物质对应物——反λ超子，试图确定这些粒子从RHIC碰撞中产生时，其自旋是否及在何种程度上保持一致。λ超子是自旋研究的理想对象，因为其自旋方向可通过衰变时质子或反质子的发射方向推断。每个λ超子都含有一个奇异夸克（反λ超子则含奇异反夸克），这使物理学家能够追溯其起源。

虚拟的奇异夸克-反夸克对总是自旋方向一致。在λ-反λ超子对中检测到同样的自旋关联，强烈表明它们内部的奇异夸克源自真空中的单个纠缠粒子对。

新罕布什尔大学物理学家扬·瓦内克博士说："通常RHIC碰撞产生的大多数粒子自旋方向是随机的。我们正在海量粒子中寻找极其微小的差异，以发现自旋相关的λ/反λ超子对。"

量子关联

研究团队分析了数百万次质子-质子碰撞，发现紧密产生的λ超子与反λ超子具有完全一致的自旋方向，这与真空中的虚拟夸克/反夸克对特性相同。

"这些粒子对就像从量子双胞胎起步，"瓦内克解释道，"当它们在邻近位置产生时，λ超子会保留诞生时虚拟奇异夸克的自旋方向。"

涂周明指出，这是证明这些夸克源自量子真空的首个直接证据："令人惊叹的是，纠缠态虚拟夸克的自旋关联在转化为真实物质的过程中得以保留。"

研究团队认为，这种现象可能指向λ-反λ超子对之间更深层的量子纠缠。有趣的是，当粒子在RHIC碰撞中产生位置相距较远时，这种效应会消失。

瓦内克推测："可能是这些相距较远的'双胞胎'更容易受到环境干扰，比如与其他夸克的相互作用，导致它们行为改变并丧失关联性。"

研究人员表示，从量子关联行为到经典物理的转变是科学界最重要的未解之谜之一，对量子计算和信息技术具有深远意义。这项发现为探索夸克如何结合形成质子、中子及其他粒子开辟了新途径。

涂周明在新闻稿中总结道："这项技术可延伸至原子核碰撞实验，以及未来的电子-离子对撞机研究。"

相关成果已发表于《自然》期刊。

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