美國物理學家最近揭示了一個長期以來的謎團，這是因為他們捕捉到了罕見的實驗證據，將量子世界中的瞬時虛無與可檢測的實際物質形成聯繫起來。這一發現是由美國能源部布魯克海文國家實驗室（BNL）的STAR合作團隊在其相對論重離子對撞機（RHIC）中所取得的。RHIC是全球首個重離子對撞機。為了進行這項研究，BNL的研究人員分析了數百萬次質子-質子碰撞，特別關注了一類叫作lambda超子及其反物質對應物的粒子。
這些短暫存在的粒子對科學家來說特別有用，因為它們的量子自旋方向，這一與磁性有關的重要性質，可以根據它們的衰變過程進行重建。研究小組現在意識到，當lambda和反lambda在碰撞中靠得很近時，它們的自旋是完美對齊的。這項工作為我們提供了一個獨特的窗口，讓我們能夠深入研究量子真空，並可能開啟一個新的時代，讓我們理解可見物質的形成及其基本性質的出現。
真空並不是空的，實際上，它充滿了波動的能量場，這些能量場可以創造出糾纏的粒子-反粒子對。這些虛擬且內在相連的粒子在被觀察之前就會消失，以至於無法計入實際。在RHIC中，當質子以接近光速碰撞時，它們提供了足夠的能量來促使一些虛擬的夸克-反夸克對轉變為真實粒子。這些粒子可以通過STAR合作團隊的探測器進行追蹤。
科學家們尋找lambda超子及其反物質對應物反lambda，並試圖確定這些粒子自旋在從RHIC碰撞中出現時是否以及在何種程度上是對齊的。lambda超子是自旋研究的理想對象，因為可以根據質子或反質子在其衰變過程中被發射的方向推斷lambda的自旋方向。每個lambda還包含一個奇異夸克，或在反lambda的情況下包含一個奇異反夸克，這使得物理學家可以追溯其來源。
虛擬奇異夸克-反夸克對總是自旋對齊的。檢測到lambda-反lambda對的自旋也呈現相同的對齊，強烈暗示它們內部的奇異夸克源自於量子真空中的一對糾纏粒子。通常，在RHIC的碰撞中，絕大多數粒子的自旋都是隨機定向的。研究人員正在尋找與所有其他粒子之間的一個非常微小的差異，以找到自旋相關的lambda/反lambda粒子。
研究小組分析了數百萬次質子-質子碰撞，發現靠得很近的lambda和反lambda的自旋完全對齊，類似於量子真空中的虛擬夸克/反夸克對。這就像這些粒子對最初作為量子雙胞胎存在。當它們在一起生成時，lambda保持了來自虛擬奇異夸克的自旋對齊。這是這些夸克源自量子真空的第一個直接證據。研究人員相信這一現象可能指向lambda-反lambda對之間更深層的量子糾纏。
有趣的是，當粒子在RHIC碰撞中產生得更遠時，這種自旋對齊的現象消失了。這可能是因為這些雙胞胎在環境中受到其他因素的影響，比如與其他夸克的互動，導致它們的行為發生變化，失去它們的連接。根據研究人員的說法，從量子連接的行為過渡到普通的經典物理學，是科學中最重要的未解之謎之一，對量子計算和信息技術有著深遠的影響。
這些發現為探究夸克如何結合成質子、中子及其他粒子提供了一種全新的方法。可見的宇宙物質如何與虛空的無物質連接，這一問題也引發了廣泛的關注。這項技術還可以擴展到涉及原子核的碰撞以及未來的電子-離子對撞機實驗。該研究已發表在《自然》期刊上。
