Na co dzień próżnia kojarzy się z pustką. W fizyce cząstek to jednak dosyć ruchliwe miejsce. Nawet gdy nie ma w nim realnych cząstek, pole kwantowe wciąż fluktuuje, a w krótkich chwilach pojawiają się i znikają pary cząstek i antycząstek. W chromodynamice kwantowej, czyli teorii silnych oddziaływań, taka próżnia ma bogatą strukturę, a jednym z jej kluczowych elementów jest tzw. kondensat kwarkowy. Obrazowo mówiąc, jest to tło z wirtualnych par kwark–antykwark. Co ważne silne oddziaływanie jądrowe sprawia, że kwarków tych nie da się wyciągnąć na zewnątrz jako pojedynczych, swobodnych cząstek. Są one zawsze uwięzione w hadronach (np. protonach i neutronach) lub mezonach.

Badacze z dużego międzynarodowego zespołu pracującego przy eksperymencie STAR postanowili wykorzystać zderzenia proton–proton jako rodzaj testu. Kolizje takie mają bardzo dużą energię i mogą wzbudzić kwantowe tło, sprawiając, że część wirtualnych par stanie się realnymi cząstkami. Ponieważ jednak kwarki nie mogą istnieć osobno, muszą szybko przejść proces hadronizacji, czyli złożenia się w hadrony. Fizycy szukali więc śladu tego, co działo się na poziomie kwarków, w tym, co da się zmierzyć na poziomie hadronów. Ich wybór padł na hiperony lambda i anty-lambda. Są to cząstki złożone z trzech kwarków (między innymi kwarka s, nazywanego dziwnym, który nie występuje w protonach i neutronach), które żyją krótko, ale rozpadają się w sposób pozwalający odczytać informację o ich spinie (a więc kierunku własnego momentu magnetycznego) z kierunków rozpadu.

Jeśli w próżni istnieją pary kwark dziwny–antykwark dziwny o zależnych od siebie spinach, to część tej korelacji może przetrwać hadronizację i ujawnić się jako korelacja spinów w parach lambda-lambda. Zespół STAR zmierzył to w danych zebranych w 2012 roku w zderzeniach dwóch protonów przy energii w układzie środka masy 200 GeV w akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory w Upton w stanie Nowy Jork (USA). Fizycy analizowali różne kombinacje par lambda (lambda-lambda, lambda-antylambda, antylambda-antylambda) i badali, jak wynik zależy od tego w jakich kierunkach wylatują obie cząstki.

Najmocniejszy sygnał dotyczył par lambda-lambda, które leciały blisko siebie. W pracy opisującej te wyniki opublikowanej w czasopiśmie Nature zdefiniowano to jako małą różnicę w szybkości (ang. rapidity) i małą różnicę kąta w płaszczyźnie poprzecznej. Dla takich par autorzy znaleźli dodatnią korelację spinów. Dla par dalekiego zasięgu (większe różnice prędkości i/lub kierunku) korelacja zanikała.

Osiągnięte wyniki pasują do naszej wiedzy o układzie kwantowym, który z czasem traci spójność. Gdy dwie cząstki powstają blisko siebie, łatwiej przenieść informację o ich wspólnej historii. Gdy zaś są rozdzielone, rośnie rola oddziaływań z otoczeniem i efektów prowadzących do zaniku kwantowej korelacji. Fizycy dodatkowo sprawdzili, czy sygnał nie jest po prostu efektem ogólnym związanym z geometrią całego zdarzenia. Testy kontrolne na to nie wskazują. Okazuje się, że obserwowany sygnał jest specyficzny dla lambda-lambda w krótkim zasięgu i nie występuje dla innych badanych cząstek (np. par K0_S-K0_S).

To przybliża nas do zrozumienia, skąd biorą się własności materii. Protony i neutrony nie są prostą sumą swoich składników: wiele ich cech wynika z tego, jak silne oddziaływanie funkcjonuje wewnątrz i jakie jest kwantowe tło, czyli próżnia. Jeśli potrafimy zmierzyć, jak uporządkowanie spinów przenosi się od kwarków do gotowych cząstek, dostajemy nowe narzędzie do badania dwóch kluczowych zjawisk: dlaczego kwarków nie da się wyciągnąć pojedynczo (są uwięzione) i jak silne oddziaływanie zmienia własności cząstek w bardzo podstawowy sposób.

W skład szerokiego zespołu eksperymentu STAR, który opublikował to osiągnięcie, wchodzą naukowcy z dwóch polskich ośrodków badawczych – Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie i Politechniki Warszawskiej.(PAP)

kmp/ bar/