新研究打開一扇觀察量子真空的窗口

物理學家早已知道，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。

一段動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—反夸克對相關(guān)聯(lián)。（圖/Centre for the Subatomic Structure of Matter/University of Adelaide）

在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，相對論重離子對撞機（RHIC）的STAR探測器的研究人員發(fā)現(xiàn)，在高能質(zhì)子-質(zhì)子對撞過程中產(chǎn)生的某些粒子對的自旋（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-反夸克對的自旋對齊聯(lián)系了起來。他們指出，從本質(zhì)上講，這些對撞為真空中短暫出現(xiàn)的某些虛粒子對提供了足夠的能量，使其成為能被探測到的真實粒子的組成部分。

尋找自旋對齊

在我們可觀測的宇宙中，強子（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。但強子并不是基本粒子，而是由基本粒子夸克和膠子組成的復合系統(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；而強力是通過交換膠子而發(fā)生的。

在這項新研究中，物理學家試圖在RHIC對撞中尋找一種名為的Λ超子的強子，及其反物質(zhì)對應物——反Λ超子。他們想看看這些粒子在對撞中產(chǎn)生時，其自旋是否、以及在多大程度上會對齊。

Λ超子由一個上夸克、一個下夸克和一個奇夸克組成，自旋大小為1/2；反Λ超子則是由一個反上夸克、一個反下夸克和一個反奇夸克組成。Λ超子非常適合用于研究自旋，因為Λ超子會迅速衰變成更小的粒子，其衰變產(chǎn)物通常是一個質(zhì)子和一種被稱為π介子的強子（反Λ超子則通常衰變一個π介子和一個反質(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產(chǎn)生的質(zhì)子或反質(zhì)子射出的方向來推斷。

每個Λ超子和反Λ超子還都含有一個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-反奇夸克對的自旋總是對齊的；而對撞產(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)在對撞中一同發(fā)射出來的Λ與反Λ粒子的自旋是對齊的，那將是強有力的證據(jù)表明，這些粒子與真空中一個自旋對齊的虛奇夸克對存在聯(lián)系。

一種量子聯(lián)系

研究團隊檢查了數(shù)百萬次質(zhì)子-質(zhì)子對撞事件的數(shù)據(jù)，仔細排除了任何偏差以及偽信號源。分析結(jié)果表明：當Λ超子與反Λ超子在一次對撞中相互靠得很近地產(chǎn)生時，它們的自旋是100%對齊的——就像真空中的虛夸克-反夸克對一樣。換言之，短程的Λ超子與反Λ超子對具有自旋相關(guān)性。

這為如下觀點提供了強有力的證據(jù)：這兩個不同的Λ超子中所包含的奇夸克/反奇夸克，起源于同一個糾纏的夸克/反夸克對。換句話說，這兩個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一開始就是一對量子雙胞胎。當它們在產(chǎn)生時彼此靠得很近，這些Λ超子（及其對應的反Λ超子）就會保留它們所誕生自的那對虛奇夸克（及反奇夸克）的自旋對齊特征。”

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超子對之間存在更深層次的糾纏——在這種糾纏中，即使兩個粒子彼此分離，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)在強子形成后仍然持續(xù)存在。（圖/Nature）

然而，當Λ超子與反Λ超子之間的距離增大時，這種相關(guān)性就會消失。這意味，這些彼此相距更遠的Λ超子-反Λ超子對，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，他們還需要進一步的測量，來判斷這究竟是糾纏態(tài)的混合，還是一個更經(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

這是物理學家首次直接觀測到構(gòu)成強子的夸克來自真空。理解夸克如何從相對自由運動的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子、中子和超子等束縛粒子，是核物理學的核心挑戰(zhàn)之一。研究人員表示，這項研究提供了一扇通向量子真空的獨特窗口，并認為這或許會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)，開啟一個新時代。

#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