Højeste grad af renhed opnået for polariserede røntgenstråler

Et forskerhold var i stand til at generere polariserede røntgenstråler med hidtil uset renhed ved det europæiske XFEL i Hamborg. Eksperimenterne involverede forskere fra Helmholtz Institute Jena, en afdeling af GSI, Friedrich Schiller University Jena og Helmholtz Center Dresden-Rossendorf. Metoden formodes at blive brugt i de kommende år til at vise, at selv vakuum opfører sig som et materiale under visse omstændigheder - en forudsigelse fra kvanteelektrodynamik.

Polariseringen af ​​elektromagnetisk stråling beskriver, i hvilket plan i rummet en bølge svinger. Mens dagligdags elektromagnetisk stråling, såsom sollys, er upolariseret, producerer lasere polariseret stråling. Dette er et vigtigt krav for en lang række eksperimenter fra faststoffysik til kvanteoptik.

Yderligere polarisatorer, som dem, der udvikles på Helmholtz Institute i Jena, har til formål at forbedre polarisationsrenheden yderligere, men i lang tid grænsen på nogle få 10 ^-10 kunne ikke skubbes længere. I 2018, Kai Schulze, førsteforfatter af papiret, der nu er offentliggjort i Physical Review Research , fandt, at divergensen af ​​synkrotronstråling er årsagen til denne grænse. "Så for at få en yderligere forbedring af renheden havde vi brug for en kilde med bedre divergens," siger fysikeren, der leder arbejdet med vakuum dobbeltbrydning på HI Jena og er fælles ansvarlig for relaterede DFG-forskningsprojekter ved University of Jena. "Idriftsættelsen af ​​den europæiske røntgenlaser, European XFEL, i Schenefeld nær Hamborg satte kursen for dette."

Sammen med forskere fra Friedrich Schiller Universitetet i Jena og Helmholtz Center Dresden-Rossendorf udviklede Schulze og hans team en eksperimentopsætning på det europæiske XFEL, der satte en ny renhedsrekord på 8×10 ^-11 takket være specielle polarisatorkrystaller, en meget præcis justering og et stabilt setup. Denne nye renhedsrekord har allerede muliggjort en række eksperimenter med kvanteoptik i røntgenområdet og ladningsfordeling i faste stoffer. Der er dog særlig interesse for detektion af den såkaldte vakuum dobbeltbrydning.

Lysets vekselvirkning med lys blev beskrevet allerede i 1936 af Werner Heisenberg og Hans Euler, men er endnu ikke blevet observeret direkte på Jorden. "Vakuum dobbeltbrydning er i øjeblikket den mest lovende effekt til direkte at detektere lys-lys-interaktion," forklarer Schulze. "I denne proces ændres polariseringen af ​​en prøvestråle, når den kolliderer i vakuum med en meget intens anden lysstråle. Vakuumet virker således som en dobbeltbrydende krystal, som også påvirker polariseringen; deraf navnet. Effekten er ekstremt lille, men vokser med aftagende bølgelængde af prøvestrålen. Præcise polarisatorer i røntgenområdet giver derfor et godt værktøj til at detektere effekten."

High Energy Density-instrumentet på det europæiske XFEL vil give de ideelle betingelser for et sådant eksperiment i fremtiden, forklarer Schulze videre. Og forskerholdet har nu et setup, hvormed de mindste polarisationsændringer kan måles. Påvisningen af ​​vakuumdobbeltbrydning vil ikke kun yderligere understøtte grundlaget for kvanteelektrodynamik, men hvis der opstår afvigelser fra teoretiske forventninger, vil den også give spor til hidtil ukendte elementære partikler (såsom aksioner eller milliladede partikler). "Vi håber at kunne lancere de første eksperimenter inden for de næste par år."

Påvisning af fænomenet ville også være interessant for fremtidige eksperimenter på FAIR partikelacceleratorcenter. "Hvis det lykkes os at måle vakuum dobbeltbrydning, vil dette hjælpe med at fortolke måledataene fra FAIR. Blandt andet vil vakuumpolarisering spille en rolle der, hvilket er tæt forbundet med vakuum dobbeltbrydning," sagde Schulze. + Udforsk yderligere

Kollisioner af lys producerer stof/antistof fra ren energi