新研究打开一扇观察量子真空的窗口

物理学家早已知道，真空并不空，而是充满了涨落的能量场，这些能量场可以短暂地产生纠缠的粒子-反粒子对。

一段动画以三维形式模拟了量子真空中能量场的涨落；这些涨落可与虚夸克—反夸克对相关联。（图/Centre for the Subatomic Structure of Matter/University of Adelaide）

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，相对论重离子对撞机（RHIC）的STAR探测器的研究人员发现，在高能质子-质子对撞过程中产生的某些粒子对的自旋（一种与磁性相关的内禀量子性质），存在显著的相关性。研究人员将这种相关性与量子真空中生成的虚夸克-反夸克对的自旋对齐联系了起来。他们指出，从本质上讲，这些对撞为真空中短暂出现的某些虚粒子对提供了足够的能量，使其成为能被探测到的真实粒子的组成部分。

寻找自旋对齐

在我们可观测的宇宙中，强子（如质子和中子）是构成物质、从而构成物理世界的基本构件之一。但强子并不是基本粒子，而是由基本粒子夸克和胶子组成的复合系统。

夸克有六种味，分别为上、下、粲、奇、顶和底——它们从不以孤立状态存在。这种现象称为禁闭，其根源在于一种称为强力的基本相互作用将夸克维系在紧密束缚的状态中；而强力是通过交换胶子而发生的。

在这项新研究中，物理学家试图在RHIC对撞中寻找一种名为的Λ超子的强子，及其反物质对应物——反Λ超子。他们想看看这些粒子在对撞中产生时，其自旋是否、以及在多大程度上会对齐。

Λ超子由一个上夸克、一个下夸克和一个奇夸克组成，自旋大小为1/2；反Λ超子则是由一个反上夸克、一个反下夸克和一个反奇夸克组成。Λ超子非常适合用于研究自旋，因为Λ超子会迅速衰变成更小的粒子，其衰变产物通常是一个质子和一种被称为π介子的强子（反Λ超子则通常衰变一个π介子和一个反质子），并向不同方向散射。而Λ超子的自旋方向可以通过这些粒子衰变时产生的质子或反质子射出的方向来推断。

每个Λ超子和反Λ超子还都含有一个可用于追溯其来源的成分，那便是奇夸克和反奇夸克。在真空中作为虚粒子生成的奇夸克-反奇夸克对的自旋总是对齐的；而对撞产生的大多数粒子则没有固定的自旋方向。

如果能够发现在对撞中一同发射出来的Λ与反Λ粒子的自旋是对齐的，那将是强有力的证据表明，这些粒子与真空中一个自旋对齐的虚奇夸克对存在联系。

一种量子联系

研究团队检查了数百万次质子-质子对撞事件的数据，仔细排除了任何偏差以及伪信号源。分析结果表明：当Λ超子与反Λ超子在一次对撞中相互靠得很近地产生时，它们的自旋是100%对齐的——就像真空中的虚夸克-反夸克对一样。换言之，短程的Λ超子与反Λ超子对具有自旋相关性。

这为如下观点提供了强有力的证据：这两个不同的Λ超子中所包含的奇夸克/反奇夸克，起源于同一个纠缠的夸克/反夸克对。换句话说，这两个不同粒子中的夸克保留了在Λ超子形成之前、就已在量子真空中建立起来的自旋联结。

研究人员解释道：“这就好像这些粒子对一开始就是一对量子双胞胎。当它们在产生时彼此靠得很近，这些Λ超子（及其对应的反Λ超子）就会保留它们所诞生自的那对虚奇夸克（及反奇夸克）的自旋对齐特征。”

研究人员表示，这种量子联结可能暗示：新形成的Λ超子-反Λ超子对之间存在更深层次的纠缠——在这种纠缠中，即使两个粒子彼此分离，它们的性质仍然保持联结。

夸克之间的量子关联在强子形成后仍然持续存在。（图/Nature）

然而，当Λ超子与反Λ超子之间的距离增大时，这种相关性就会消失。这意味，这些彼此相距更远的Λ超子-反Λ超子对，更容易受到环境中其他因素的影响——例如与其他夸克的相互作用——从而导致它们表现不同并失去联结。

研究人员表示，他们还需要进一步的测量，来判断这究竟是纠缠态的混合，还是一个更经典的相关系统。无论最终情况如何，量子真空中纠缠夸克与 RHIC 所探测到的普通粒子之间的这种联系，都可能为科学家提供一种途径，用来探索物质从量子态向经典态的过渡。

打开一扇新的窗

这是物理学家首次直接观测到构成强子的夸克来自真空。理解夸克如何从相对自由运动的状态转变为质子、中子和超子等束缚粒子，是核物理学的核心挑战之一。研究人员表示，这项研究提供了一扇通向量子真空的独特窗口，并认为这或许会为我们理解可见物质如何形成、以及其基本性质如何涌现，开启一个新时代。

#参考来源：

https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=122738

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00036-7

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09920-0

#图片来源：

封面图&首图：Lentz/Brookhaven National Laboratory