新研究打開一扇觀察量子真空的窗口

物理學(xué)家早已知道，真空并不空，而是充滿了漲落的能量場，這些能量場可以短暫地產(chǎn)生糾纏的粒子-反粒子對(duì)。

一段動(dòng)畫以三維形式模擬了量子真空中能量場的漲落；這些漲落可與虛夸克—反夸克對(duì)相關(guān)聯(lián)。（圖/Centre for the Subatomic Structure of Matter/University of Adelaide）

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）的STAR探測器的研究人員發(fā)現(xiàn)，在高能質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞過程中產(chǎn)生的某些粒子對(duì)的自旋（一種與磁性相關(guān)的內(nèi)稟量子性質(zhì)），存在顯著的相關(guān)性。研究人員將這種相關(guān)性與量子真空中生成的虛夸克-反夸克對(duì)的自旋對(duì)齊聯(lián)系了起來。他們指出，從本質(zhì)上講，這些對(duì)撞為真空中短暫出現(xiàn)的某些虛粒子對(duì)提供了足夠的能量，使其成為能被探測到的真實(shí)粒子的組成部分。

尋找自旋對(duì)齊

在我們可觀測的宇宙中，強(qiáng)子（如質(zhì)子和中子）是構(gòu)成物質(zhì)、從而構(gòu)成物理世界的基本構(gòu)件之一。但強(qiáng)子并不是基本粒子，而是由基本粒子夸克和膠子組成的復(fù)合系統(tǒng)。

夸克有六種味，分別為上、下、粲、奇、頂和底——它們從不以孤立狀態(tài)存在。這種現(xiàn)象稱為禁閉，其根源在于一種稱為強(qiáng)力的基本相互作用將夸克維系在緊密束縛的狀態(tài)中；而強(qiáng)力是通過交換膠子而發(fā)生的。

在這項(xiàng)新研究中，物理學(xué)家試圖在RHIC對(duì)撞中尋找一種名為的Λ超子的強(qiáng)子，及其反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物——反Λ超子。他們想看看這些粒子在對(duì)撞中產(chǎn)生時(shí)，其自旋是否、以及在多大程度上會(huì)對(duì)齊。

Λ超子由一個(gè)上夸克、一個(gè)下夸克和一個(gè)奇夸克組成，自旋大小為1/2；反Λ超子則是由一個(gè)反上夸克、一個(gè)反下夸克和一個(gè)反奇夸克組成。Λ超子非常適合用于研究自旋，因?yàn)棣訒?huì)迅速衰變成更小的粒子，其衰變產(chǎn)物通常是一個(gè)質(zhì)子和一種被稱為π介子的強(qiáng)子（反Λ超子則通常衰變一個(gè)π介子和一個(gè)反質(zhì)子），并向不同方向散射。而Λ超子的自旋方向可以通過這些粒子衰變時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)子或反質(zhì)子射出的方向來推斷。

每個(gè)Λ超子和反Λ超子還都含有一個(gè)可用于追溯其來源的成分，那便是奇夸克和反奇夸克。在真空中作為虛粒子生成的奇夸克-反奇夸克對(duì)的自旋總是對(duì)齊的；而對(duì)撞產(chǎn)生的大多數(shù)粒子則沒有固定的自旋方向。

如果能夠發(fā)現(xiàn)在對(duì)撞中一同發(fā)射出來的Λ與反Λ粒子的自旋是對(duì)齊的，那將是強(qiáng)有力的證據(jù)表明，這些粒子與真空中一個(gè)自旋對(duì)齊的虛奇夸克對(duì)存在聯(lián)系。

一種量子聯(lián)系

研究團(tuán)隊(duì)檢查了數(shù)百萬次質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞事件的數(shù)據(jù)，仔細(xì)排除了任何偏差以及偽信號(hào)源。分析結(jié)果表明：當(dāng)Λ超子與反Λ超子在一次對(duì)撞中相互靠得很近地產(chǎn)生時(shí)，它們的自旋是100%對(duì)齊的——就像真空中的虛夸克-反夸克對(duì)一樣。換言之，短程的Λ超子與反Λ超子對(duì)具有自旋相關(guān)性。

這為如下觀點(diǎn)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)：這兩個(gè)不同的Λ超子中所包含的奇夸克/反奇夸克，起源于同一個(gè)糾纏的夸克/反夸克對(duì)。換句話說，這兩個(gè)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來的自旋聯(lián)結(jié)。

研究人員解釋道：“這就好像這些粒子對(duì)一開始就是一對(duì)量子雙胞胎。當(dāng)它們?cè)诋a(chǎn)生時(shí)彼此靠得很近，這些Λ超子（及其對(duì)應(yīng)的反Λ超子）就會(huì)保留它們所誕生自的那對(duì)虛奇夸克（及反奇夸克）的自旋對(duì)齊特征。”

研究人員表示，這種量子聯(lián)結(jié)可能暗示：新形成的Λ超子-反Λ超子對(duì)之間存在更深層次的糾纏——在這種糾纏中，即使兩個(gè)粒子彼此分離，它們的性質(zhì)仍然保持聯(lián)結(jié)。

夸克之間的量子關(guān)聯(lián)在強(qiáng)子形成后仍然持續(xù)存在。（圖/Nature）

然而，當(dāng)Λ超子與反Λ超子之間的距離增大時(shí)，這種相關(guān)性就會(huì)消失。這意味，這些彼此相距更遠(yuǎn)的Λ超子-反Λ超子對(duì)，更容易受到環(huán)境中其他因素的影響——例如與其他夸克的相互作用——從而導(dǎo)致它們表現(xiàn)不同并失去聯(lián)結(jié)。

研究人員表示，他們還需要進(jìn)一步的測量，來判斷這究竟是糾纏態(tài)的混合，還是一個(gè)更經(jīng)典的相關(guān)系統(tǒng)。無論最終情況如何，量子真空中糾纏夸克與 RHIC 所探測到的普通粒子之間的這種聯(lián)系，都可能為科學(xué)家提供一種途徑，用來探索物質(zhì)從量子態(tài)向經(jīng)典態(tài)的過渡。

打開一扇新的窗

這是物理學(xué)家首次直接觀測到構(gòu)成強(qiáng)子的夸克來自真空。理解夸克如何從相對(duì)自由運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子、中子和超子等束縛粒子，是核物理學(xué)的核心挑戰(zhàn)之一。研究人員表示，這項(xiàng)研究提供了一扇通向量子真空的獨(dú)特窗口，并認(rèn)為這或許會(huì)為我們理解可見物質(zhì)如何形成、以及其基本性質(zhì)如何涌現(xiàn)，開啟一個(gè)新時(shí)代。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Lentz/Brookhaven National Laboratory