Παρακολουθώντας την προέλευση ενός ασυνήθιστου και βραχύβιου σωματιδίου, ερευνητές συγκέντρωσαν από τα ισχυρότερα μέχρι σήμερα στοιχεία ότι η μάζα μπορεί να προκύπτει από διακυμάνσεις του κενού.
Συγκρούσεις σωματιδίων μέσα στον ανιχνευτή STAR, στο Solenoidal Tracker at RHIC, γνωστό ως STAR, στο Brookhaven National Laboratory.
Ένα ζεύγος σπάνιων σωματιδίων που δημιουργήθηκαν σε συγκρούσεις πρωτονίων υψηλής ενέργειας ίσως αποτελεί το πιο καθαρό έως τώρα στοιχείο ότι η μάζα μπορεί να εμφανίζεται από το κενό. Το εύρημα θα μπορούσε να φωτίσει ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της φυσικής: πώς τα σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους.
Σύμφωνα με την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), που θεωρείται ευρέως η καλύτερη θεωρία μας για την ισχυρή δύναμη η οποία συγκρατεί τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια, ακόμη και ένα απόλυτο κενό δεν είναι πραγματικά άδειο. Αντίθετα, είναι γεμάτο με βραχύβιες διαταραχές στην υποκείμενη ενέργεια του χώρου, οι οποίες εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς και είναι γνωστές ως εικονικά σωματίδια. Ανάμεσά τους βρίσκονται ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ.
Υπό κανονικές συνθήκες, αυτά τα φευγαλέα ζεύγη εξαφανίζονται σχεδόν αμέσως μόλις εμφανιστούν. Όμως, αν διοχετευτεί αρκετή ενέργεια σε ένα κενό, η QCD προβλέπει ότι μπορούν να μετατραπούν σε πραγματικά, ανιχνεύσιμα σωματίδια με μετρήσιμη μάζα.
Τώρα, η συνεργασία STAR —μια διεθνής ομάδα φυσικών που εργάζεται στο Relativistic Heavy Ion Collider του Brookhaven National Laboratory, στην πολιτεία της Νέας Υόρκης— παρατήρησε αυτή τη διαδικασία για πρώτη φορά.
Η ομάδα έσπασε πρωτόνια υψηλής ενέργειας σε κενό, παράγοντας μια ριπή σωματιδίων. Ορισμένα από αυτά τα σωματίδια αναμένεται να είναι ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ που αποσπάστηκαν απευθείας από το ίδιο το κενό, όμως τα κουάρκ δεν μπορούν ποτέ να υπάρξουν μόνα τους και αμέσως συνδυάζονται σε σύνθετα σωματίδια.
Ευτυχώς για την ομάδα, αυτά τα συγκεκριμένα σωματίδια κρύβουν ένα στοιχείο για την προέλευσή τους. Τα κουάρκ και τα αντικουάρκ γεννιούνται με συσχετισμένες περιστροφές, μια κοινή κβαντική ευθυγράμμιση που κληρονομούν από το κενό.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η σύνδεση διατηρείται ακόμη και αφού τα κουάρκ και τα αντικουάρκ γίνουν μέρος μεγαλύτερων σωματιδίων, των λεγόμενων υπερονίων, τα οποία διασπώνται σε λιγότερο από το ένα δέκατο του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Ο εντοπισμός αυτών των υπερονίων με ευθυγραμμισμένες περιστροφές, μετά τις συγκρούσεις των πρωτονίων, επέτρεψε στους ερευνητές να επιβεβαιώσουν ότι τα κουάρκ στο εσωτερικό τους προήλθαν από το κενό.
«Αυτή είναι η πρώτη φορά που είδαμε ολόκληρη τη διαδικασία», λέει ο Zhoudunming Tu, μέλος της συνεργασίας STAR.
«Χαίρομαι πολύ που βλέπω αυτή τη μέτρηση», λέει ο Daniel Boer από το Πανεπιστήμιο του Groningen στην Ολλανδία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. Όπως σημειώνει, υπάρχουν ακόμη πολλά μυστήρια γύρω από τα κουάρκ, όπως το γιατί δεν μπορούν να υπάρξουν μόνα τους. «Αυτό είναι που κάνει αυτό το πείραμα ιδιαίτερα ενδιαφέρον».
Ο Tu θεωρεί ότι η εργασία ανοίγει έναν νέο τρόπο άμεσης εξέτασης των ιδιοτήτων του κενού, με την ελπίδα ότι θα επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς τα σωματίδια αποκτούν μάζα. Η θεωρία της QCD προβλέπει ότι τα κουάρκ αποκτούν μεγαλύτερο μέρος του βάρους τους αλληλεπιδρώντας με το ίδιο το κενό, όμως ο τρόπος με τον οποίο συμβαίνει αυτό δεν είναι σαφής.
Ο Alessandro Bacchetta από το Πανεπιστήμιο της Pavia στην Ιταλία λέει ότι το αποτέλεσμα δεν είναι ακόμη οριστικό, καθώς η ανασύσταση γεγονότων από συγκρούσεις σωματιδίων μπορεί να είναι περίπλοκη. Οι ερευνητές, όπως τονίζει, πρέπει πρώτα να αποκλείσουν διεξοδικά άλλες πιθανότητες που θα μπορούσαν να έχουν οδηγήσει στο ίδιο σήμα.
Nature DOI: 10.1038/s41586-025-09920-0
