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—反夸克對相關聯。（圖/Centre for the Subatomic Structure of Matter/University of Adelaide）

在一項新發表于《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現，在高能質子-質子對撞過程中產生的某些粒子對的自旋（一種與磁性相關的內稟量子性質），存在顯著的相關性。研究人員將這種相關性與量子真空中生成的虛夸克-反夸克對的自旋對齊聯系了起來。他們指出，從本質上講，這些對撞為真空中短暫出現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（如質子和中子）是構成物質、從而構成物理世界的基本構件之一。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。

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存在。這種現象稱為禁閉，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中；而強力是通過交換膠子而發生的。

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，及其反物質對應物——反Λ超子。他們想看看這些粒子在對撞中產生時，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，其衰變產物通常是一個質子和一種被稱為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生的質子或反質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；而對撞產生的大多數粒子則沒有固定的自旋方向。

如果能夠發現在對撞中一同發射出來的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系。

一種量子聯系

研究團隊檢查了數百萬次質子-質子對撞事件的數據，仔細排除了任何偏差以及偽信號源。分析結果表明：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性。

這為如下觀點提供了強有力的證據：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結。

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，這種量子聯結可能暗示：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，它們的性質仍然保持聯結。

夸克之間的量子關聯在強子形成后仍然持續存在。（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——從而導致它們表現不同并失去聯結。

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的混合，還是一個更經典的相關系統。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系，都可能為科學家提供一種途徑，用來探索物質從量子態向經典態的過渡。

打開一扇新的窗

這是物理學家首次直接觀測到構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轉變為質子、中子和超子等束縛粒子，是核物理學的核心挑戰之一。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如何形成、以及其基本性質如何涌現，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