Wie die Quantenoptik die Natur des Quarks erhellt

Wissenschaftlern der Universität Rostock gelang es, grundlegende physikalische Eigenschaften aus dem Bereich der Elementarteilchenphysik in einem photonischen System nachzubilden. Die Ergebnisse werden in veröffentlicht Naturphysik.

Experimentalphysiker setzen in ihrer Grundlagenforschung routinemäßig riesige, aber komplizierte Maschinen ein: Teilchenbeschleuniger von enormer Größe zerschmettern mikroskopisch kleine Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und setzen dabei unvorstellbare Energiemengen frei. In den Überresten dieser Kollisionen suchen Wissenschaftler nach Signaturen der fundamentalen Kräfte des Universums.

Seit den 1970er Jahren wurde ein wahrer Zoo von Teilchen entdeckt und in das Standardmodell der Teilchenphysik eingeordnet. Darunter auch Quarks, die elementaren Bausteine ​​von Protonen und Neutronen. Diese ungewöhnlichen Teilchen gehorchen ihren eigenen, ziemlich eigenwilligen Eigenschaften, die sie von jeder anderen Form von Materie unterscheiden. Während es beispielsweise nur eine Art elektrischer Ladung gibt, die positiv oder negativ sein kann, unterliegt das Verhalten von Quarks ganz anderen physikalischen Gesetzen.

Prof. Stefan Scheel, Leiter der Forschungsgruppe Quantenoptik makroskopischer Systeme an der Universität Rostock erklärt: „Quarks bringen neben ihrer elektrischen Ladung auch eine eigene Farbladung mit: rot, grün oder blau. hat nichts mit den Farben eines Regenbogens zu tun.“

Aufgrund dieses eigentümlichen Verhaltens entziehen sich einzelne Quarks hartnäckig jeder direkten Beobachtung. Kürzlich gelang es der Gruppe deutscher Wissenschaftler, die fundamentalen Symmetrien von Quarks zu untersuchen, indem sie Licht in einer analogen Konfiguration präparierten.

Prof. Alexander Szameit, Leiter der Forschungsgruppe Experimentelle Festkörperoptik an der Universität Rostock, beschreibt den experimentellen Ansatz: „Mit hochintensiven Laserpulsen schreiben wir Schaltkreise für Licht in ein bescheidenes Stück Glas ein. In solche photonischen Chips.“ lassen sich komplexe Phänomene modellieren, die Farbladung von Quarks ist nur eines davon.“

Um diese Aufladung zu simulieren, mussten sich die Rostocker Wissenschaftler die exotischen Eigenschaften des Quantenlichts zunutze machen. Lichtteilchen (sog. Photonen) können nicht nur an mehreren Orten gleichzeitig existieren, sondern auch beliebig viele an genau demselben Ort.

„Auf diese Weise lassen sich sogenannte Holonomien entwerfen, wenn sich Photonen durch die photonischen Schaltkreise ausbreiten. Diese abstrakten Objekte sind normalerweise das Spielfeld von Mathematikern. Aber wie sich herausstellt, beschreiben sie auch die möglichen Symmetrien eines Quantensystems und.“ haben ein paar sehr interessante Eigenschaften, zum Beispiel sind sie unabhängig von der Zeit, die vergeht, eine Seltenheit in der Physik“, sagt Vera Neef, eine der führenden Autorinnen der Arbeit, als ihr Ph.D. dreht sich um das neue Gebiet der holonomen Quantenoptik.

Der zweite führende Autor, Julien Pinske, der in seinem Ph.D. untersucht Holonomien aus Sicht der theoretischen Physik und führt aus: „Um die drei verschiedenen Farbladungen zu simulieren, war es notwendig, eine dreidimensionale Holonomie zu entwerfen. Bisher reichen nur Photonen aus, und das geht über unsere alltägliche Naturanschauung hinaus .“

Mit Blick auf die erste experimentelle Realisierung dieses Effekts erwartet die Wissenschaftlergruppe tiefere Einblicke in die faszinierende Physik des Quarks. Über das Studium dieser grundlegenden Physik hinaus könnten sich die gemeldeten Ergebnisse beim Design zukünftiger Quantentechnologien, einschließlich Quantencomputern, als nützlich erweisen. Dort könnten sich Holonomien als die entscheidende Zutat erweisen, auf der Quanten für die kommerzielle Nutzung widerstandsfähig genug gemacht werden können.