Физики из Китая построили на холодных атомах рубидия модель, в которой рождаются пары частица — античастица. Они проследили, как на рождение влияют масса частиц и фоновое поле. Статья вышла 1 октября 2026 года в Physical Review Letters.

За основу взят эффект Швингера. По квантовой электродинамике, сильное электрическое поле может потратить часть своей энергии на создание электрона и позитрона прямо из вакуума. Но при напряжённостях поля, которые сегодня достижимы в лаборатории, рождение пар сильно подавлено. Поэтому сам эффект до сих пор не удалось наблюдать напрямую.

Как холодные атомы подменяют вакуум

Группа Чжэнь-Шэна Юаня из Научно-технического университета Китая собрала управляемую модель. Ультрахолодные атомы рубидия выстроились в одномерную цепочку оптических ловушек. Каждая вторая ловушка содержала два атома, промежуточные оставались пустыми. Такое расположение играло роль «ложного вакуума»: состояния, которое может отдать энергию, создав пару. Затем атомам разрешили перескакивать между соседними узлами так, чтобы это напоминало рождение пары, а фоновое поле настраивали для управления процессом. За атомами следил квантовый газовый микроскоп.

Модель относится к одномерным решёточным калибровочным теориям. Это не кусок настоящей Вселенной, а упрощённая система с похожим математическим устройством. Аналогия имеет границы: симулятор показывает динамику выбранной модели, а не рождение электронов и позитронов из физического вакуума под действием реального поля.

Представим узкую бетонную дорожку. Через равные промежутки на ней стоят по два человека, а между ними пустые места. По команде люди могут перейти на соседний участок, но только если это не запрещено правилом, которое играет роль поля. Иногда пара возникает на пустом месте, и дорожка переходит в более выгодное состояние. Условный пример передаёт лишь логику перестроения, а не квантовую механику процесса.

Исследователи меняли массу модельных частиц и силу фонового поля. Чем тяжелее были частицы и чем сильнее поле доминировало над остальными взаимодействиями, тем меньше пар рождалось. В пределе нулевой массы в спектре временной эволюции появились пики, похожие на бозонные моды модели Швингера. Авторы связывают их с механизмом инверсии струны.

В статье указано, что в практических условиях рождение пары требует квантового туннелирования частиц на большое расстояние. Это подавляет скорость процесса. Поэтому лабораторный результат не является прямым обнаружением эффекта Швингера в настоящем электрическом поле, а воспроизводит динамику удобной модели в контролируемом окружении. По доступной аннотации нельзя судить о точности количественного соответствия симулятора реальному процессу.

Дальше группа Юаня планирует посмотреть, что происходит при столкновениях модельных частиц, и расширить цепочку до двух измерений. Такие эксперименты могут приблизить исследователей к явлениям, которые пока остаются за пределами прямого наблюдения. Тем, кто готовит собственное исследование в смежной области, может пригодиться помощь с написанием статьи для научного журнала.

Схема, объясняющая, как одномерная цепочка холодных атомов в оптических ловушках моделирует рождение пар частица — античастица при настройке фонового поля.

Фото: PIRO4D / Pixabay