Een onderzoeksteam was in staat om gepolariseerde röntgenstralen met ongekende zuiverheid te genereren op de Europese XFEL in Hamburg. Bij de experimenten waren wetenschappers betrokken van het Helmholtz-instituut Jena, een afdeling van GSI, de Friedrich Schiller-universiteit Jena en het Helmholtz-centrum Dresden-Rossendorf. De methode moet de komende jaren worden gebruikt om aan te tonen dat zelfs vacuüm zich onder bepaalde omstandigheden als een materiaal gedraagt ​​- een voorspelling uit de kwantumelektrodynamica.

De polarisatie van elektromagnetische straling beschrijft in welk vlak in de ruimte een golf oscilleert. Terwijl alledaagse elektromagnetische straling, zoals zonlicht, ongepolariseerd is, produceren lasers gepolariseerde straling. Dit is een belangrijke vereiste voor een breed scala aan experimenten, van vastestoffysica tot kwantumoptica.

Aanvullende polarisatoren, zoals die worden ontwikkeld aan het Helmholtz Instituut in Jena, hebben tot doel de polarisatiezuiverheid verder te verbeteren, maar voor een lange tijd de limiet van een paar 10 ^-10 kon niet verder worden geduwd. In 2018, Kai Schulze, eerste auteur van het artikel dat nu is gepubliceerd in Physical Review Research , ontdekte dat de divergentie van synchrotronstraling de reden is voor deze limiet. "Dus om een ​​verdere verbetering van de zuiverheid te krijgen, hadden we een bron met een betere divergentie nodig", zegt de natuurkundige, die het werk aan vacuüm dubbele breking leidt bij HI Jena en medeverantwoordelijk is voor gerelateerde DFG-onderzoeksprojecten aan de Universiteit van Jena. "De ingebruikname van de Europese röntgenlaser, European XFEL, in Schenefeld bij Hamburg zette de koers hiervoor uit."

Samen met wetenschappers van de Friedrich Schiller Universiteit van Jena en het Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, ontwikkelden Schulze en zijn team een ​​experimentopstelling bij de Europese XFEL die een nieuw zuiverheidsrecord vestigde van 8×10 ^-11 dankzij speciale polarisatorkristallen, een zeer nauwkeurige uitlijning en een stabiele opstelling. Dit nieuwe zuiverheidsrecord heeft al een aantal experimenten mogelijk gemaakt met kwantumoptica in het röntgenbereik en met ladingsverdeling in vaste stoffen. Speciale aandacht gaat echter uit naar de detectie van de zogenaamde vacuüm dubbele breking.

De interactie van licht met licht werd al in 1936 beschreven door Werner Heisenberg en Hans Euler, maar is nog niet direct op aarde waargenomen. "Vacuüm dubbele breking is momenteel het meest veelbelovende effect om licht-licht-interactie direct te detecteren", legt Schulze uit. "In dit proces verandert de polarisatie van een monsterbundel wanneer deze in vacuüm botst met een zeer intense tweede lichtbundel. Het vacuüm werkt dus als een dubbelbrekend kristal, dat ook de polarisatie beïnvloedt, vandaar de naam. Het effect is extreem klein, maar groeit met afnemende golflengte van de monsterbundel. Precieze polarisatoren in het röntgenbereik vormen daarom een ​​goed hulpmiddel om het effect te detecteren."

Het High Energy Density-instrument op het Europese XFEL zal in de toekomst de ideale omstandigheden bieden voor een dergelijk experiment, legt Schulze verder uit. En het onderzoeksteam heeft nu een opstelling waarmee de kleinste polarisatieveranderingen gemeten kunnen worden. De detectie van dubbele breking in vacuüm zou niet alleen de fundamenten van de kwantumelektrodynamica verder onderbouwen, maar, als er afwijkingen van de theoretische verwachtingen ontstaan, ook aanwijzingen opleveren voor voorheen onbekende elementaire deeltjes (zoals axionen of milli-geladen deeltjes). "We hopen de komende jaren de eerste experimenten te kunnen lanceren."

Detectie van het fenomeen zou ook interessant zijn voor toekomstige experimenten in het FAIR-deeltjesversnellercentrum. "Als het ons lukt om vacuüm dubbele breking te meten, helpt dat bij het interpreteren van de meetgegevens van FAIR. Daar zal onder meer vacuümpolarisatie een rol spelen, die nauw verbonden is met vacuüm dubbele breking", aldus Schulze. + Verder verkennen

Botsingen van licht produceren materie/antimaterie uit pure energie