Ein in Italien mit theoretischer Unterstützung der Universität Newcastle durchgeführtes Experiment hat den ersten experimentellen Beweis für den Vakuumzerfall erbracht.
Wenn in der Quantenfeldtheorie ein nicht so stabiler Zustand in den wirklich stabilen Zustand übergeht, spricht man von „falschem Vakuumzerfall“. Dies geschieht durch die Bildung kleiner, örtlich begrenzter Bläschen. Während bestehende theoretische Arbeiten vorhersagen können, wie oft diese Blasenbildung auftritt, gibt es nicht viele experimentelle Beweise.
Jetzt hat ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern der Newcastle University erstmals die Bildung dieser Blasen in sorgfältig kontrollierten Atomsystemen beobachtet. In der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik, die Ergebnisse liefern experimentelle Beweise für die Blasenbildung durch falschen Vakuumzerfall in einem Quantensystem.
Die Ergebnisse werden sowohl durch theoretische Simulationen als auch durch numerische Modelle gestützt, die den Quantenfeldursprung des Zerfalls und seine thermische Aktivierung bestätigen und den Weg für die Nachbildung von Quantenfeldphänomenen außerhalb des Gleichgewichts in Atomsystemen ebnen.
Das Experiment verwendet ein unterkühltes Gas mit einer Temperatur von weniger als einem Mikrokelvin vom absoluten Nullpunkt. Bei dieser Temperatur entstehen Blasen, wenn das Vakuum zerfällt, und Professor Ian Moss und Dr. Tom Billam von der Universität Newcastle konnten schlüssig zeigen, dass diese Blasen das Ergebnis eines thermisch aktivierten Vakuumzerfalls sind.
Ian Moss, Professor für Theoretische Kosmologie an der School of Mathematics, Statistics and Physics der Newcastle University, sagte: „Es wird angenommen, dass der Vakuumzerfall eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Raum, Zeit und Materie im Urknall spielt, aber bisher war dies der Fall.“ Kein experimenteller Test. In der Teilchenphysik würde der Vakuumzerfall des Higgs-Bosons die Gesetze der Physik ändern und zu der sogenannten „ultimativen ökologischen Katastrophe“ führen.
Dr. Tom Billam, Dozent für Angewandte Mathematik/Quantum, fügte hinzu: „Die Nutzung der Kraft von Experimenten mit ultrakalten Atomen zur Simulation von Analogien der Quantenphysik in anderen Systemen – in diesem Fall dem frühen Universum selbst – ist ein sehr spannendes Forschungsgebiet an der Universität Moment.“
Die Forschung eröffnet neue Wege zum Verständnis des frühen Universums sowie ferromagnetischer Quantenphasenübergänge.
Dieses bahnbrechende Experiment ist nur der erste Schritt zur Erforschung des Vakuumzerfalls. Das ultimative Ziel besteht darin, den Vakuumzerfall bei der Temperatur des absoluten Nullpunkts zu finden, wo der Prozess ausschließlich durch Quantenvakuumfluktuationen angetrieben wird. Ein Experiment in Cambridge, das von Newcastle im Rahmen der nationalen Zusammenarbeit QSimFP unterstützt wird, zielt genau darauf ab.
Mehr Informationen:
A. Zenesini et al., Falscher Vakuumzerfall durch Blasenbildung in ferromagnetischen Superflüssigkeiten, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02345-4