A virtuális részecskék titkos élete
A kvantumvákuum nem üres tér, hanem egy mindent átható mező, tele rövid életű virtuális részecskékkel, amelyek a semmiből ugranak elő. Heisenberg bizonytalansági elve szerint minél rövidebb egy kvantumállapot, annál nagyobb lehet az energiája, és elvben két egymásnak ellentmondó tulajdonságot sem ismerhetünk pontosan egyszerre. Emiatt időnként részecskék és antirészecskék jelenhetnek meg, majd szinte azonnal eltűnnek – de nem mindig.
Az Egyesült Államokban, Long Islanden található Brookhaven Nemzeti Laboratórium RHIC gyorsítójában kutatók szinte fénysebességű protonokat ütköztetnek össze, hogy extrém energiájú robbanásokat hozzanak létre. Ilyenkor a vákuumban születő virtuális részecskék képesek megragadni az ütközés energiáját, és valódi részecskékké válni, ahelyett hogy ismét semmivé tűnnének.
Összefonódás a valóság peremén
A RHIC fő detektora, a Solenoidal Tracker (STAR) lehetővé tette, hogy a kutatók lekövessék ezt a folyamatot. Az így keletkező részecskepárok kvantum-összefonódásban maradnak, tehát bármennyire is távolodnak el egymástól, bizonyos tulajdonságaik, például a spinjük, azaz belső perdületük azonos irányba mutat.
A kísérlet során furcsa kvarkokból álló párokat figyeltek meg – ezek a kvarkok a protonokat és neutronokat alkotó fel (up) és le (down) kvarkok közeli rokonai, de önmagukban instabilak. Ilyenkor összekapcsolódnak más kvarkokkal, és úgynevezett lambda-hiperonokat hoznak létre: ezek egy furcsa, egy fel és egy le kvarkból épülnek fel. A lambda-hiperon azonban önmagában is instabil: csupán 0,0000000001 másodpercig él, és néhány centimétert utazik az ütköztetőben, mielőtt szokványosabb részecskékre bomlik.
A keletkezett bomlási részecskék mozgásiránya elárulja, hogy a lambda-hiperon spinje milyen volt. Ez a spin szinte kizárólag a furcsa kvark spinjétől függ, mert a fel és le kvarkok hozzájárulása kioltja egymást.
Három évtizedes elmélet igazolva
A kutatók meglepődtek, mennyire erős volt ezeknek a részecskéknek a korrelációja: szinte mindig párhuzamosan állt a spinjük. Ez arra utal, hogy valóban a vákuumból született furcsa kvarkpárokat sikerült kimutatniuk, amelyek spinje mindig azonos irányba mutat. Így beigazolódott Dmitri Kharzeev 30 éves elmélete is, miszerint az ilyen spontán keletkező kvarkpárok spinje szabályosan párhuzamos.
Mindez azonban még csak a kezdet. Ez az áttörés új ablakot nyit a virtuális részecskék világára, és segíthet megérteni, honnan származik a protonok tömegének döntő része. Maga a három kvark ugyanis alig járul hozzá a proton tömegéhez – az össztömeg 99 százaléka vélhetően épp a vákuumból származó energiában van „becsomagolva”.
Véget ér egy korszak, de a felfedezések folytatódnak
Következésképpen az RHIC gyorsító újabb diadalt aratott, mielőtt végleg bezár: már csupán egyetlen nap van hátra az utolsó ütközésekig 25 éves pályafutása után. Egyes elemeket a következő generációs részecskegyorsítóban, az Elektron–Ion Colliderben hasznosítanak majd újra, amely várhatóan a 2030-as évek közepén nyílik meg. A kérdés azonban korántsem ilyen egyszerű: vajon megérthetjük-e egyszer, hogy a világ anyaga végül is a semmiből származik-e?
