En forskargrupp kunde generera polariserad röntgenstrålning med oöverträffad renhet vid Europeiska XFEL i Hamburg. Experimenten involverade forskare från Helmholtz Institute Jena, en gren av GSI, Friedrich Schiller University Jena och Helmholtz Center Dresden-Rossendorf. Metoden är tänkt att användas under de kommande åren för att visa att även vakuum beter sig som ett material under vissa omständigheter - en förutsägelse från kvantelektrodynamiken.

Polariseringen av elektromagnetisk strålning beskriver i vilket plan i rymden en våg oscillerar. Medan vardaglig elektromagnetisk strålning, såsom solljus, är opolariserad, producerar lasrar polariserad strålning. Detta är ett viktigt krav för ett brett utbud av experiment från fasta tillståndets fysik till kvantoptik.

Ytterligare polarisatorer, som de som utvecklas vid Helmholtz-institutet i Jena, har till syfte att ytterligare förbättra polarisationsrenheten, men under lång tid gränsen på några 10 ^-10 kunde inte drivas längre. 2018, Kai Schulze, första författare till artikeln som nu publicerats i Physical Review Research , fann att divergensen av synkrotronstrålning är orsaken till denna gräns. "Så för att få en ytterligare förbättring av renhet behövde vi en källa med bättre divergens", säger fysikern, som leder arbetet med vakuumdubbelbrytning vid HI Jena och är gemensamt ansvarig för relaterade DFG-forskningsprojekt vid University of Jena. "Idrifttagningen av den europeiska röntgenlasern, European XFEL, i Schenefeld nära Hamburg satte kursen för detta."

Tillsammans med forskare från Friedrich Schiller-universitetet i Jena och Helmholtz Center Dresden-Rossendorf utvecklade Schulze och hans team en experimentuppställning vid Europeiska XFEL som satte ett nytt renhetsrekord på 8×10 ^-11 tack vare speciella polarisatorkristaller, en mycket exakt inriktning och en stabil uppställning. Detta nya renhetsrekord har redan möjliggjort ett antal experiment på kvantoptik i röntgenområdet och på laddningsfördelning i fasta ämnen. Särskilt intresse ägnas dock åt upptäckten av den så kallade vakuumdubbelbrytningen.

Samspelet mellan ljus och ljus beskrevs redan 1936 av Werner Heisenberg och Hans Euler, men har ännu inte direkt observerats på jorden. "Vakuumdubbelbrytning är för närvarande den mest lovande effekten för att direkt detektera ljus-ljusinteraktion," förklarar Schulze. "I den här processen ändras polariseringen av en provstråle när den kolliderar i vakuum med en mycket intensiv andra ljusstråle. Vakuumet fungerar alltså som en dubbelbrytande kristall, vilket också påverkar polarisationen; därav namnet. Effekten är extremt liten, men växer med avtagande våglängd hos provstrålen. Exakta polarisatorer i röntgenområdet är därför ett bra verktyg för att upptäcka effekten."

High Energy Density-instrumentet vid Europeiska XFEL kommer att ge de idealiska förutsättningarna för ett sådant experiment i framtiden, förklarar Schulze vidare. Och forskargruppen har nu en uppställning med vilken de minsta polarisationsförändringarna kan mätas. Detekteringen av vakuumdubbelbrytning skulle inte bara ytterligare underbygga grunderna för kvantelektrodynamiken, utan, om avvikelser från teoretiska förväntningar uppstår, också ge ledtrådar till tidigare okända elementarpartiklar (som axioner eller milliladdade partiklar). "Vi hoppas kunna lansera de första experimenten inom de närmaste åren."

Detektering av fenomenet skulle också vara intressant för framtida experiment vid FAIR partikelacceleratorcenter. "Om vi ​​lyckas mäta vakuumdubbelbrytning kommer detta att hjälpa till att tolka mätdata från FAIR. Bland annat kommer vakuumpolarisering att spela en roll där, vilket är nära kopplat till vakuumdubbelbrytning", sa Schulze. + Utforska vidare

Kollisioner av ljus producerar materia/antimateria från ren energi