Die Quantenphysik zeichnet ein seltsames Bild der Welt, voller spukhafter Verbindungen, beunruhigender Unsicherheiten und – vielleicht am seltsamsten von allem – Teilchen, die spontan aus dem Nichts entstehen. Die Auswirkungen der sogenannten virtuellen Teilchen ließen sich bereits nachweisen. Doch nun haben Forschende erstmals direkt verfolgt, wie sich diese aus dem Nichts entstehenden Teilchen mit der Zeit entwickeln.

In ihrer bei »Nature« veröffentlichten Studie beschreibt ein Team vom Brookhaven National Laboratory, dass es auffällig viele Teilchenpaare mit gleich ausgerichtetem Spin gemessen hat. Der Teilchenspin ist eine Quanteneigenschaft, die man sich wie einen kleinen Stabmagneten veranschaulichen kann, dessen Nordpol entweder nach oben oder nach unten zeigt. In der Regel besitzen Vielteilchensysteme eine zufällige Mischung aus auf- und abwärtsgerichteten Spins. Aber die Fachleute bemerkten, dass Teilchen im Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) paarweise mit gleichem Spin auftreten.

Sie gehen davon aus, dass diese Teilchenpaare direkte Nachkommen von virtuellen Teilchen sind, die spontan aus dem Nichts entstanden sind. »Das Vakuum in der Quantentheorie ist kein leerer Raum«, erklärt der Physiker Dmitri Kharzeev von der Stony Brook University. »Es ist ein Feld, das mit virtuellen Teilchen gefüllt ist.«

Solche Teilchen sind eine Folge der heisenbergschen Unschärferelation, derzufolge sich bestimmte Eigenschaften wie die Energie und die Lebensdauer eines Quantenzustands nicht beide exakt bestimmen lassen. Wenn ein Quantenzustand also sehr, sehr kurzlebig ist, kann seine Energie stark schwanken. Demnach können Teilchenpaare – ein Teilchen und sein Antiteilchen – kurzzeitig aus dem Nichts entstehen, indem sie sich Energie »borgen«. Normalerweise verschwinden diese Teilchen fast sofort wieder, indem sie sich gegenseitig vernichten. Aber innerhalb des Beschleunigers war das nicht der Fall.

Im RHIC prallen Protonen mit enormer Bewegungsenergie aufeinander. Bei den heftigen Zusammenstößen wird Energie frei. Wenn dabei zufällig ein virtuelles Teilchenpaar im Vakuum entsteht, kann es diese Energie der Kollision nutzen, um sich in ein reales Teilchenpaar zu verwandeln. »Wenn zwei Teilchen mit hoher Energie kollidieren, gibt dies dem Vakuum einen Energieschub«, sagt der Brookhaven-Physiker Zhoudunming Tu, einer der Autoren der neuen Studie. »Jetzt erhalten die virtuellen Teilchen einen Schub, ohne sich wieder gegenseitig vernichten zu müssen.«

Von virtuellen Quarks hin zu realen Partikeln

Um diesen Prozess im Teilchenbeschleuniger untersuchen zu können, muss man wissen, wie sich die Teilchen mit der Zeit entwickeln. Dafür verfolgte das Experiment Strange-Quarks. Da diese paarweise entstehen, sind sie miteinander verschränkt und bleiben miteinander verbunden, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Wenn sie also nach der Kollision auseinanderfliegen, behalten sie die gleiche Spinausrichtung. Da einzelne Quarks jedoch instabil sind, verbinden sie sich schnell mit anderen zu sogenannten Lambda-Hyperonen: exotischen Versionen von Protonen, die statt der zwei Up- und eines Down-Quarks ein Up-, ein Down- und ein Strange-Quark enthalten.

Aber auch Lambda-Hyperonen existieren nur etwa 10^–10 Sekunden lang. In der Zeit legen sie einige Zentimeter im Teilchenbeschleuniger zurück, bevor sie in gewöhnlichere Partikel zerfallen, die der Detektor nachweisen kann. Die Flugrichtung dieser Partikel gibt Aufschluss über den Spin der Lambda-Hyperonen, aus denen sie hervorgegangen sind. Damit kennt man den Spin des ursprünglichen Strange-Quarks, da dieser den Spin des Lambda-Hyperons bestimmt (die Spins des Up- und Down-Quarks heben sich gegenseitig auf).

Als die Forschenden die Messdaten auswerteten, waren sie überrascht, wie stark die Spins der Teilchen aufeinander ausgerichtet sind. »Ihre Spins scheinen parallel«, sagt der Physiker Jan Vanek von der University of New Hampshire, der an der Studie mitgewirkt hat. »Das deutet darauf hin, dass sie tatsächlich von den Strange-Quarks-Paaren aus dem Vakuum stammen.«

Lösung offener Rätsel

Die Entdeckung bestätigt eine 30 Jahre alte Vorhersage von Kharzeev und seinen Kollegen, wonach virtuelle Teilchenpaare aus Strange-Quarks parallele Spins besitzen. »Das ist spannend, weil man sich zwar plausible theoretische Ideen ausdenken kann, aber nie weiß, ob die Natur diesen folgt oder nicht«, sagt er. »Zu sehen, dass dies endlich in einem realen Experiment gemessen wurde, ist sehr zufriedenstellend.«

Dieses Ergebnis könnte außerdem dabei helfen, ein großes Rätsel der Kernphysik zu lösen: Woher kommt die Masse des Protons? Die drei Quarks, aus denen Protonen bestehen, tragen nämlich nur einen winzigen Teil zu deren Masse bei – mehr als 90 Prozent entstehen vermutlich durch Wechselwirkungen zwischen den drei realen Quarks und den vielen virtuellen Teilchen im Vakuum. »Wenn wir den Übergang eines Quarkpaars vom virtuellen zum realen Teilchen verfolgen können, erhalten wir vielleicht einen Einblick, wie die Protonenmasse durch die Wechselwirkung mit dem Vakuum entsteht«, sagt Tu.

Die Entdeckung markiert einen Erfolg für den Teilchenbeschleuniger RHIC, der im Februar 2026 nach 25 Jahren stillgelegt wird. Teile der Maschine werden in Brookhavens neuem Elektron-Ionen-Collider wiederverwendet, der Mitte der 2030er-Jahre in Betrieb gehen soll.