Quantenfluktuationen des Vakuums auf der Spur, um die Grenzen der Physik auszuloten

Absolut leer – so stellen sich die meisten von uns das Vakuum vor. Doch in Wirklichkeit ist es von einem energetischen Flackern erfüllt: den Quantenfluktuationen.

Experten bereiten derzeit ein Laserexperiment vor, das diese Vakuumschwankungen auf neuartige Weise verifizieren soll und möglicherweise Hinweise auf neue Gesetze der Physik liefern könnte. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat eine Reihe von Vorschlägen entwickelt, die dazu beitragen sollen, das Experiment effektiver durchzuführen – und damit die Erfolgsaussichten zu erhöhen. Das Team präsentiert seine Ergebnisse In Körperliche Untersuchung D.

Die Welt der Physik ist sich seit langem bewusst, dass das Vakuum nicht völlig leer ist, sondern von Vakuumfluktuationen erfüllt ist – einem bedrohlichen Quantenflimmern in Zeit und Raum. Obwohl es nicht direkt erfasst werden kann, kann sein Einfluss indirekt beobachtet werden, beispielsweise durch Veränderungen der elektromagnetischen Felder winziger Partikel.

Allerdings ist es bisher nicht gelungen, Vakuumschwankungen ohne Anwesenheit von Partikeln nachzuweisen. Sollte dies gelingen, wäre eine der grundlegenden Theorien der Physik – nämlich die Quantenelektrodynamik (QED) – in einem bisher unerprobten Bereich bewiesen. Sollte ein solches Experiment jedoch Abweichungen von der Theorie ergeben, würde dies auf die Existenz neuer, bisher unentdeckter Teilchen schließen lassen.

Das dazu vorgesehene Experiment ist im Rahmen der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) geplant, einem vom HZDR geführten Forschungskonsortium an der HED-Experimentierstation des European XFEL in Hamburg, dem größten Röntgenlaser der Welt .

Das zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass ein ultrastarker Laser kurze, intensive Lichtblitze in eine evakuierte Edelstahlkammer feuert. Ziel ist es, die Vakuumschwankungen so zu manipulieren, dass sie auf scheinbar magische Weise die Polarisation eines Röntgenblitzes vom European XFEL ändern, also seine Schwingungsrichtung drehen.

„Das wäre so, als würde man ein durchsichtiges Plastiklineal zwischen zwei Polfilter schieben und hin und her biegen“, erklärt HZDR-Theoretiker Prof. Ralf Schützhold.

„Die Filter sind ursprünglich so eingestellt, dass kein Licht durch sie hindurchdringt. Durch Biegen des Lineals würde sich nun die Richtung der Lichtschwingung so ändern, dass man dadurch etwas sehen könnte.“ In dieser Analogie entspricht das Lineal den Vakuumschwankungen, während der ultrastarke Laserblitz sie biegt.

Zwei Blitze statt nur einem

Das ursprüngliche Konzept bestand darin, nur einen optischen Laserblitz in die Kammer zu schießen und mithilfe spezieller Messtechniken zu registrieren, ob sich dadurch die Polarisation des Röntgenblitzes ändert. Doch es gibt ein Problem: „Das Signal dürfte extrem schwach sein“, erklärt Schützhold. „Es ist möglich, dass nur eines von einer Billion Röntgenphotonen seine Polarisation ändert.“

Dies könnte jedoch unterhalb der aktuellen Messgrenze liegen – das Ereignis könnte einfach unentdeckt durchs Raster fallen. Daher setzen Schützhold und sein Team auf eine Variante: Statt nur einem wollen sie zwei optische Laserpulse gleichzeitig in die evakuierte Kammer schießen.

Dort treffen beide Blitze ein und kollidieren buchstäblich. Der Röntgenpuls des European XFEL soll gezielt auf ihren Kollisionspunkt treffen. Der entscheidende Faktor: Die kollidierenden Laserblitze wirken wie eine Art Kristall auf den Röntgenpuls. So wie Röntgenstrahlen beim Durchgang durch einen natürlichen Kristall gebeugt, also abgelenkt werden, soll auch der XFEL-Röntgenimpuls durch den kurzzeitig vorhandenen „Lichtkristall“ der beiden kollidierenden Laserblitze abgelenkt werden.

„Das würde nicht nur die Polarisation des Röntgenpulses verändern, sondern ihn gleichzeitig auch leicht ablenken“, erklärt Ralf Schützhold. Diese Kombination könnte die Chancen erhöhen, den Effekt tatsächlich messen zu können – so die Hoffnung der Forscher. Für den Auftreffwinkel der beiden in der Kammer kollidierenden Laserblitze hat das Team verschiedene Möglichkeiten berechnet. Experimente werden zeigen, welche Variante sich am besten eignet.

Ultraleichte Geisterpartikel im Visier?

Die Aussichten ließen sich sogar noch verbessern, wenn die beiden in die Kammer geschossenen Laserblitze nicht die gleiche Farbe, sondern zwei unterschiedliche Wellenlängen hätten. Dadurch könnte sich auch die Energie des Röntgenblitzes leicht ändern, was ebenfalls helfen würde, den Effekt zu messen. „Das ist aber technisch recht anspruchsvoll und möglicherweise erst zu einem späteren Zeitpunkt umsetzbar“, sagt Schützhold.

Das Projekt befindet sich derzeit in Hamburg gemeinsam mit dem European-XFEL-Team an der HED-Experimentierstation in der Planungsphase, die ersten Versuche sollen 2024 starten. Bei Erfolg könnten sie QED erneut bestätigen.

Aber vielleicht werden die Experimente Abweichungen von der etablierten Theorie offenbaren. Dies könnte auf bisher unentdeckte Teilchen zurückzuführen sein – zum Beispiel ultraleichte Geisterteilchen, sogenannte Axionen. „Und das“, sagt Schützhold, „wäre ein klarer Hinweis auf weitere, bisher unbekannte Naturgesetze.“