投稿者: 虚空に潜む幽霊のように、仮想粒子は（ほぼ）無から出現することができる。
惑星、恒星、彗星、小惑星、その他の宇宙の残骸が一切存在しなければ、そこにあるのはただの真空、無限に広がる虚無だけだろう。少なくとも、物質が存在しない空間は完全に空っぽだと考えるのが論理的だろう。しかし、もし虚無でさえ、見た目ほど空っぽではないとしたらどうだろうか？
量子真空へようこそ。一見すると完全な空虚に見えるこの空間は、実は観測を逃れる奇妙な素粒子で満ちています。これらは仮想粒子であり、実際の物質粒子ではなく、他の粒子の存在によって引き起こされる真空の乱れです。それらはどこからともなく現れ、非常に儚いため、ほんの一瞬で消えてしまいます。仮想粒子は直接観測できないため、検出する唯一の方法は、他の粒子との相互作用を通して、粒子の質量や2つの粒子間で交換される力などの測定可能な特性を分析することです。仮想粒子は、宇宙の基本的な力、すなわち強い核力、弱い核力、電磁力を理解するための手がかりとなるため、科学者にとって重要な存在です。
これらの奇妙な粒子は厳密には粒子ではなく、直接観測することもできない。これは量子力学に根ざしたパラドックスである。ヴェルナー・ハイゼンベルクの有名な不確定性原理の結果であるエネルギーと時間の不確定性関係は、エネルギーの一時的なゆらぎを許容し、粒子と反粒子のペアが真空から短時間出現して再び消滅する可能性があることを意味する。ロングアイランドのブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）を使用して、物理学者の周敦明・トゥ率いる研究チームは、粒子のスピン方向を分析することにより、陽子と中性子の構成要素である仮想クォークと反クォークの証拠を発見した。この分析により、真空のゆらぎに由来するという特徴が明らかになった。
「真空は現在、変動するエネルギー場と仮想クォーク・反クォーク対の凝縮体によって特徴づけられる、豊かで複雑な構造を持っていることが理解されている」と、Tu氏は最近Nature誌に掲載された研究論文の中で述べている。「高エネルギーの陽子同士の衝突によって、真空から仮想クォーク・反クォーク対が放出され、それが後にハドロンを形成する可能性がある。」
RHICを用いて、Tu氏のチームは光速に近い速度で陽子同士を衝突させ、その過程で膨大な量のエネルギーを放出した。そのエネルギーは、通常は真空中で検出されずに現れては消える、束の間のゆらぎである仮想クォーク・反クォーク対に吸収され、それらを実在する検出可能な粒子へと変化させた。具体的には、衝突によって、質量は同じだが電荷が反対のいわゆるストレンジクォークとストレンジ反クォークのペアが生成された。各ペアは単一の真空ゆらぎから生じたため、クォークと反クォークは量子もつれ状態となり、どれだけ離れていてもその性質は相関したままだった。チームはRHICのソレノイドトラッカー（STAR）検出器を用いてこのもつれ状態を確認し、各ペアのクォークと反クォークが常に同じ方向にスピンしていることを示した。これは、真空中での共通の起源が量子レベルで両者を結びつけていることを示す決定的な証拠である。
クォークは非常に不安定なことで知られています。単独では長く存在できないため、他の粒子と結合してラムダハイペロンを形成します。ラムダハイペロンは、3つのクォークから構成される電気的に中性の素粒子で、そのうちの1つはストレンジクォークである必要があります。これらのハイペロンのスピンは、ストレンジクォークのスピンによって決まります。ラムダハイペロンも不安定で、100億分の1秒後に崩壊し始めますが、利点は、STARで観測可能な粒子に崩壊することです。これらの粒子のスピンは、それらが由来するラムダハイペロンのスピン（したがって、ハイペロンのストレンジクォークのスピン）を直接反映しています。Tuの実験では、真空中のクォークとその対応する反クォークは、ハイペロンを形成する前と同じように、互いに平行に回転し続けました。
クォークと反クォークのペアが仮想粒子として誕生し、実粒子へと変化する過程を追跡することで、陽子の質量の大部分がどこから来ているのかを最終的に解明できるかもしれない。クォークは非常に軽いため、陽子の質量のごく一部しか占めていないからだ。陽子の質量の大部分は、陽子内部で起こる過程によって生成されると考えられている。仮想粒子を含めた今後の研究によって、この謎に包まれた質量生成の秘密がついに明らかになるかもしれない。
「真空中の仮想スピン相関クォーク対と、最終状態におけるハドロン対との間に繋がりがあることを発見しました」とTu氏は述べた。「今回の発見は、クォークの閉じ込めと量子もつれのダイナミクスと相互作用を探るための新たな実験モデルを提供するものです。」
今回の研究結果は、宇宙の最も基本的な構成要素の重みは、粒子そのものによるものではなく、それらが生まれた沸騰する真空によるものである可能性を示唆している。
つまり、「無」こそが、最も重要な何かであるかもしれないのだ。
Reference : Scientists Made Something Out of Nothing. Literally.
https://www.popularmechanics.com/science/a70980353/something-out-of-nothing/
