Forscher beobachten erstmals, wie Teilchen aus dem "Nichts" entstehen
Erstmals konnten Forscher der STAR Collaboration am Brookhaven National Laboratory beobachten, wie Teilchen scheinbar aus dem Nichts entstehen. Dafür ließen die Forscher Protonen im Teilchenbeschleuniger Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) aufeinanderprallen.
Damit konnte die Theorie bestätigt werden, dass auch ein perfektes Vakuum kein wirklich "leerer Raum" ist. Stattdessen existieren dort kurzlebige virtuelle Partikel, die ständig entstehen und wieder verschwinden. Darunter sind auch Paare von Quarks und Antiquarks.
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Virtuelle Teilchen werden real
Dabei entstehen Quarks und Antiquarks immer als quantenverschränktes Paar. Das bedeutet, sie sind über ihre "Spin-Korrelation" miteinander verbunden, selbst wenn sie sich voneinander entfernen. Die Quantenfeldtheorie zu Quantenchromodynamik geht davon aus, dass aus diesen virtuellen Partikeln bei Zufuhr von genügend Energie zu realen, messbaren Teilchen werden.
Das wurde jetzt im RHIC gemacht. Nachdem Protonen im dort erzeugten Vakuum aufeinanderprallten, verbanden sich die sonst nicht messbaren Quarks und Antiquarks zu einem größeren Teilchen, dem Hyperon. Die Spin-Informationen der virtuellen Partikel wurden dann an das neue Teilchen vererbt und blieben erhalten. "Normalerweise haben die Spins der meisten Teilchen im RHIC eine zufällige Ausrichtung. Wir haben nach dem winzigen Unterschied gesucht, der uns zeigt, dass ihr Spin korreliert", sagt Studienleiter Jan Vanek in einem Statement.
Teilchen stammen aus dem Vakuum
Diesen Vorgang konnten die Forscher jetzt erstmals messen. Die enthaltenen Spin-Informationen bestätigten, dass die Quarks-Antiquarks-Paare im Hyperon direkt aus dem Vakuum stammen und sich nicht aus den kollidierten Protonen zusammensetzen. Der Beweis zeigt, dass die quantenmechanische Bausteine der virtuellen Teilchen auch in der realen Materie erhalten bleibt.
Die Ergebnisse ebnen den Weg zur Forschung dazu, wie durch die starke Wechselwirkung der Quarks die sichtbare Materie entsteht. Allerdings müssen die Ergebnisse noch validiert werden um auszuschließen, dass es andere Erklärungen gibt. Sie erschienen im Fachmagazin Nature.
Abschied vom RHIC
Der RHIC-Teilchenbeschleuniger wurde am 6. Februar nach 25 Jahren in den Ruhestand geschickt. Dabei verabschiedete er sich mit einer letzten Gold-Ionen- und Proton-Proton-Kollision. Dadurch entstand der bisher größte Datensatz für Spin-Analysen. Gesammelt wurden 200 Petabyte an Daten. Das ist mehr als in allen vorherigen Experimenten zusammen gesammelt wurde, heißt es in einem Statement.
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Der RHIC bestand aus supraleitenden Ringen mit einem Umfang von 3,8 km. Darin wurden Messungen gemacht, die u.a. Hinweise auf die sogenannte "Ursuppe", also das Quark-Gluon-Plasma, kurz nach dem Entstehen des Universums, liefern. An Stelle des RHIC soll jetzt der Electron-Ion-Collider gebaut werden und 2030 den Betrieb aufnehmen.