Forschung zum Quantenflimmern Ist Vakuum leer … oder doch nicht?

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Mithilfe des größten Röntgenlasers der Welt und weiteren Hochleistungslaser versucht ein Forschungskonsortium zu beweisen, ob ein Vakuum leer ist oder nicht – beziehungsweise wird versucht, die Existenz von Quantenfluktuationen zu beweisen. Die Experimente sollen die Grenzen der Physik ausloten.

Shakespeare ließ Hamlet einst sagen: „Es gibt mehr Dinge zwischen Himmel und Erde, als eure Schulweisheit sich träumt, Horatio.“ Dass es mehr Dinge zwischen Himmel und Erde gibt, als sich mit unserem bloßen Auge erkennen lässt, ist vermutlich den meisten klar.

Die Physik beschäftigt sich mit den grundlegenden Prinzipien des Universums, den fundamentalen Kräften, den Eigenschaften von Materie und Energie sowie den grundlegenden Gesetzen der Natur. Doch alles kann sie nicht erklären. Noch nicht.

Deswegen wird an Forschungsinstituten auf der ganzen Welt stetig daran gearbeitet, dem Universum auch noch die kleinsten Geheimnisse zu entlocken und sie zu erklären. Ein Forschungskonsortium, das vom Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) geführt wird, versucht am European XFEL in Hamburg, mit dem größten Röntgenlaser der Welt, die Existenz von Quantenflimmern in einem Vakuum zu beweisen. Denn während die Allgemeinheit glauben mag, dass ein Vakuum absolut leer sei, so ist der Physikwelt bereits lange klar, dass ein Vakuum von Vakuumquantenfluktuationen erfüllt ist. Das Ding ist: Das konnte bislang nicht richtig erfasst werden. Im Jahr 2024 könnte sich das ändern.

Was soll das Experiment zeigen?

Die Mitarbeitenden des European XFEL von der Experimentierstation High Energy Density (HED) und des HZDR planen derzeit Experimente, die im kommenden Jahr unterschiedliche Dinge beweisen können. Im Rahmen des Versuchsaufbaus feuert ein ultrastarker Laser kurze, intensive Lichtblitze in eine luftleere Edelstahlkammer. Der Laser soll Vakuumfluktuationen so beeinflussen und manipulieren, dass ein Röntgenblitz umpolarisiert wird, sich also in seiner Schwingungsrichtung dreht.

„Das wäre in etwa so“, so HZDR-Theoretiker Professor Ralf Schützhold, „als würde man ein durchsichtiges Plastiklineal zwischen zwei Polarisationsfilter schieben und dort hin und her biegen. Eigentlich sind die Filter so eingestellt, dass hinter ihnen kein Licht herauskommen kann. Doch das gebogene Lineal würde die Schwingungsrichtung des Lichts so verändern, dass man am Ende doch etwas sieht.“

Entgegen dem ursprünglichen Experiment haben sich die Forschenden dazu entschlossen, zwei Blitze statt nur einen in die Kammer zu schießen, um dann herauszufinden, ob sich die Polarisation des Röntgenblitzes verändert. Die zwei Blitze kollidieren und in diesen Punkt, an dem kurzzeitig ein Lichtkristall entsteht, soll der Röntgenpuls feuern. Es wird nicht nur die Änderung der Polarisation, sondern auch eine kleine Ablenkung erwartet. So könne der Effekt besser gemessen und das Flimmern bewiesen werden.

Auf der Jagd nach Geisterteilchen?

Mit den Experimenten im Jahr 2024 versuchen die Forschenden, nicht nur das QED-Häkchen an die Annahme der Existenz von Quantenfluktuationen im Vakuum zu setzen. Wenn Abweichungen von der Theorie auftreten, wird’s besonders spannend. So, schreibt das HZDR, könnten hinter Abweichungen ultraleichte Geisterteilchen namens Axionen stecken. „Und das wäre ein klares Zeichen dafür, dass es weitere, bislang unbekannte Naturgesetze gibt“, so Schützhold. Die hochinteressante Forschung können Sie auf der Webseite des HZDR verfolgen, dazu finden Sie mehr Details in Physical Review D 108, 2023 (Detection schemes for quantum vacuum diffraction and birefringence). (sb)

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