布鲁克海文科学家首次捕捉虚粒子转化为真实物质

布鲁克海文国家实验室的科学家们首次捕捉到量子真空中虚粒子转化为真实可探测物质的直接实验证据，揭示了“虚空”如何产生可见宇宙。

这项研究本周发表在《自然》杂志上，由位于纽约厄普顿的布鲁克海文相对论重离子对撞机（RHIC）的STAR合作组完成。这一发现正值该设施进入其第25年也是最后一年的运行期，之后将被改造为电子-离子对撞机。

该实验分析了RHIC上数百万次质子-质子碰撞事件，重点研究了一对称为Λ（Lambda）和反Λ超子的粒子对，它们含有奇异夸克。根据量子理论，真空中不断涌动着虚拟的夸克-反夸克对，它们会短暂地闪现存在后随即消失。量子真空中的这些虚拟粒子对总是自旋对齐的——这是一种与磁性相关的内在量子属性。

当STAR探测器观察到从碰撞中紧密产生的Λ和反Λ粒子时，研究团队发现它们100%自旋对齐，与真空中虚拟粒子的特征相吻合。测量结果显示相对极化信号为18%，误差范围为4%。

布鲁克海文国家实验室STAR物理学家、该研究的共同负责人涂周敦铭表示：“这项工作为我们打开了一扇观察量子真空的独特窗口，可能开启我们理解可见物质如何形成及其基本性质如何涌现的新纪元。”

研究团队的分析表明，RHIC的高能碰撞提供了所需的能量推动，将纠缠的虚拟奇异夸克对转化为探测器可以捕获的真实粒子。

这一发现对理解质子质量的起源具有重要意义。物理学家早已知道，质子内部的夸克仅占质子总质量的约1%——其余99%来自量子色动力学真空中的复杂动力学过程。这种新的实验方法可以帮助科学家探索物质如何从真空相互作用中获得质量。

涂教授解释道：“在我们的实验中，将虚粒子从真空转化为真实物质所需的能量来自RHIC的碰撞。现在我们可以反向推导这一过程，从而探索这个复杂的机制。”

这些发现代表了RHIC最后的重大发现之一。RHIC于2000年开始运行，一直是美国核物理研究的核心设施。该设施计划于今年停止运行，布鲁克海文国家实验室将把其基础设施改造用于电子-离子对撞机，这一新设施预计将在2030年左右开始运行。

科学家表示，在RHIC开发的实验技术可以延续到未来的对撞机中，届时将提供更精密的工具来探索真空与可见物质质量之间的联系。