Nowe spojrzenie na strukturę próżni kwantowej

Badacze współpracujący w ramach eksperymentu STAR, prowadzonego w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) w Brookhaven National Laboratory, uzyskali przełomowe wyniki dotyczące struktury próżni kwantowej i dynamiki oddziaływań silnych. Przełomowe wyniki uzyskane przez naukowców eksperymentu STAR zostały opublikowane w Nature. 

W badaniach uczestniczą naukowcy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej: prof. Hanna Zbroszczyk, prof. Daniel Kikoła, prof. Jan Pluta, dr inż. Daniel Wielanek, dr inż. Diana Pawłowska, dr Ashutosh Pandey, dr Srikanta Kumar Tripathy, mgr inż. Priyanka Roy Chowdhury i mgr inż. Jędrzej Kołaś. 

Analiza zderzeń proton–proton ujawniła istnienie korelacji spinowych pomiędzy parami hiperonów, które, jak pokazano, mają swoje źródło w wirtualnych parach kwark–antykwark obecnych w próżni chromodynamiki kwantowej (QCD). Zaobserwowany sygnał względnej polaryzacji na poziomie około 18% stanowi bezpośredni eksperymentalny ślad kwantowych korelacji przenoszonych z próżni do hadronów powstających w procesie uwięzienia kwarków. Co istotne, efekt ten zanika dla cząstek oddzielonych dużym kątem, co jest zgodne z przewidywaniami dotyczącymi dekoherencji układów kwantowych. Wyniki te dostarczają nowego narzędzia do badań jednego z fundamentalnych problemów współczesnej fizyki – związku pomiędzy uwięzieniem kwarków, łamaniem symetrii chiralnej oraz splątaniem kwantowym. 

– Tzw. „piramida” fizyki silnych oddziaływań łączy mikroświat kwarków z makrostrukturami materii, takimi jak protony i neutrony, oraz z fundamentalnymi własnościami rzeczywistości, w tym splątaniem kwantowym. Zrozumienie relacji między tymi poziomami stanowi jeden z kluczowych celów współczesnej fizyki i jest niezbędne do wyjaśnienia pochodzenia masy oraz stabilności materii. Podstawowym elementem tej struktury jest uwięzienie kwarków – fakt, że kwarki nigdy nie występują w stanie swobodnym, lecz są trwale związane wewnątrz hadronów przez oddziaływania silne – wyjaśnia prof. Hanna Zbroszczyk z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. 

Jak dodaje prof. Zbroszczyk, równie istotnym mechanizmem jest dynamiczne łamanie symetrii chiralnej, które odpowiada za niemal całą masę widzialnej materii, znacznie przewyższając wkład pochodzący z mechanizmu Higgsa. 

– Coraz większą rolę w opisie tych zjawisk odgrywa także splątanie kwantowe, sugerujące głębokie powiązania między strukturą próżni, uwięzieniem kwarków a dystrybucją informacji kwantowej wewnątrz hadronów. Badania nad tymi zagadnieniami pozwalają zbliżyć się do fundamentalnego pytania o to, w jaki sposób z prostych składników mikroświata wyłania się stabilna i masywna materia, z której zbudowany jest Wszechświat – mówi prof. Hanna Zbroszczyk. 

Osiągnięcie to podkreśla istotny wkład zespołu STAR, w tym naukowców z Wydziału Fizyki PW, w rozwój badań nad podstawowymi własnościami materii w ekstremalnych warunkach. Z treścią artykułu można zapoznać się tutaj: Measuring spin correlation between quarks during QCD confinement.