物理学家将粒子追溯到量子真空
科学家们发现了奇异夸克，它们最初是从虚无中产生的虚粒子。
一幅插图描绘了量子真空中无中生有的奇异夸克对。瓦莱丽A伦茨布鲁克黑文国家实验室
瓦莱丽A伦茨布鲁克海文国家实验室
量子物理学勾勒出一幅奇异的世界图景，其中充满了神秘的联系、令人不安的不确定性，以及——或许最奇怪的是——从虚无中自发诞生的粒子。这些所谓的虚粒子产生的间接效应此前已被科学家测量到。但现在，研究人员首次直接追踪了这些无中生有的粒子的演化过程。
在今日发表于《自然》杂志的一项研究中，位于长岛布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）的物理学家们描述了他们如何发现亚原子粒子对在自旋方向上存在一种异常的关联。粒子自旋是一种量子特性，其方向可以是向上或向下。大多数粒子群的自旋方向会随机混合（既有向上也有向下），但研究人员发现，在该对撞机中产生的一种特定粒子往往会成对出现，且自旋方向一致。
科学家们认为，这些粒子对一定是从量子真空中凭空自发产生的虚粒子对的直接后裔。
石溪大学的物理学家德米特里卡尔泽耶夫说：量子理论中的真空并非空无一物的空间，而是一个充满虚粒子的场。这类粒子是海森堡不确定性原理的结果，该原理指出，某些相互关联的属性——比如量子态的能量和寿命——无法同时被精确知晓。如果一个量子态极其短暂，那么它的能量就可能具有高度的不确定性。这意味着粒子对——一个粒子及其反物质伙伴——可以通过从无中借取能量而短暂地产生。
通常情况下，这些粒子会通过相互湮灭几乎立即再次消失——但这次并非如此。
在相对论重离子对撞机（RHIC）内，科学家们让质子以接近光速的速度相互碰撞，从而产生能量惊人的爆炸。当一对虚粒子恰好在此处的真空中出现时，它们可以利用碰撞中自由可用的能量而变成实粒子。当两个粒子在高能状态下碰撞时，它会给真空注入能量，布鲁克海文国家实验室的物理学家涂重明（音译）说，他是这项新研究的作者之一。现在，虚粒子得到了推动，无需再湮灭回到真空中。
利用RHIC的螺线管径迹探测器（STAR），物理学家们能够追踪这一过程。不过，他们如何做到这一点的细节可能会让你晕头转向。
由于这些新产生的实粒子是成对出现的，它们处于纠缠状态，无论彼此相隔多远都保持着一种联系。因此，当它们在碰撞后飞散开来时，会具有相同的自旋方向。
这项实验追踪了成对的奇异夸克——它们是构成质子和中子的上夸克与下夸克的表亲。夸克本身并不稳定，因此当这些新夸克产生时，它们会迅速与其他夸克结合，形成被称为Λ超子的复合粒子。这些粒子是质子的奇特变体，包含一个上夸克、一个下夸克和一个奇异夸克，而非质子所含的两个上夸克和一个下夸克。
反过来说，Λ型粒子（兰布达粒子）本身并非十分稳定。它们仅能存在约10的负10次方秒，在对撞机内移动几厘米后，就会衰变成STAR探测器能够探测到的普通粒子。
这些衰变粒子的动量方向揭示了产生它们的拉姆达超子的自旋。而人们认为，拉姆达超子的自旋完全由其奇异夸克的自旋决定（因为其上夸克和下夸克的自旋相互抵消）。
当研究人员查看他们的测量结果时，他们对这些粒子之间的相关性之高感到惊讶。它们的自旋似乎是平行的，该研究的合著者、新罕布什尔大学的物理学家扬瓦内克说，这暗示着我们实际上看到了这些在Λ超子中发现的真空奇异夸克对。
这一发现证实了哈尔泽耶夫及其同事30年前的一项预测，即奇异夸克虚粒子对的自旋必定是平行的。这很令人兴奋，因为你可以在脑海中想出看似合理的理论观点，但你永远不知道大自然是否遵循这些观点，他说，所以看到这一现象最终在实际实验中得到测量，非常令人欣慰。
这个关于虚粒子的新窗口应该有助于解答核物理学中的一个重大谜团：质子的质量来自哪里？构成质子的三个夸克只贡献了极小一部分质量——其余99%被认为来自这些实夸克与真空中大量虚夸克之间的相互作用。如果我们能追踪一对夸克从虚粒子到实粒子的过程，或许就能深入了解这种质量是如何通过与真空的相互作用产生的，屠说。
这一发现也标志着相对论重离子对撞机（RHIC）取得了另一项成就，此时该对撞机正准备关机。在创纪录地运行了25年后，本周五将是它进行碰撞实验的最后一天。该机器的部分部件将被重新用于布鲁克海文国家实验室即将建成的电子离子对撞机，这台对撞机计划于21世纪30年代中期在该实验室投入使用。
相关知识
量子真空并非绝对的空无，而是量子场的最低能量状态。它存在持续的量子涨落，会随机产生虚粒子对（如正负电子），这些粒子对瞬间生成又湮灭。这种涨落可通过卡西米尔效应等实验观测到，是量子力学中重要的基础概念之一。
BY: Clara Moskowitz
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自： https://www.scientificamerican.com/article/physicists-trace-particles-back-to-the-quantum-vacuum/
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