ردیابی نوسانات کوانتومی خلاء برای بررسی مرزهای فیزیک

کاملاً خالی – اینگونه است که اکثر ما خلاء را تصور می کنیم. اما در واقعیت پر از نوسانات انرژی است: نوسانات کوانتومی.

کارشناسان در حال حاضر در حال آماده سازی یک آزمایش لیزری هستند که برای آزمایش این نوسانات خلاء به روشی جدید طراحی شده است که به طور بالقوه می تواند سرنخ هایی از قوانین جدید فیزیک ارائه دهد. یک تیم تحقیقاتی در Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) مجموعه‌ای از پیشنهادات را طراحی کرده‌اند که به انجام کارآمدتر آزمایش کمک می‌کنند – در نتیجه شانس موفقیت را افزایش می‌دهند. تیم خود را ارائه می دهد یافته ها که در معاینه فیزیکی D.

دنیای فیزیک مدت‌هاست که آگاه بوده است که خلاء کاملاً خالی نیست، بلکه پر از نوسانات خلاء است – یک نوسان کوانتومی وهم‌آور در زمان و مکان. اگرچه نمی توان مستقیماً آن را تشخیص داد، تأثیر آن را می توان به طور غیر مستقیم مشاهده کرد، به عنوان مثال از طریق تغییرات در میدان های الکترومغناطیسی ذرات کوچک.

با این حال، هنوز نمی توان نوسانات خلاء را بدون حضور هیچ ذره ای تأیید کرد. اگر بتوان به این امر دست یافت، یکی از نظریه های بنیادی فیزیک – یعنی الکترودینامیک کوانتومی (QED) – در میدانی که قبلاً کشف نشده بود، اثبات خواهد شد. با این حال، اگر چنین آزمایشی انحرافاتی را از نظریه نشان دهد، وجود ذرات جدید و قبلاً کشف نشده را نشان می دهد.

آزمایش طراحی شده برای دستیابی به این هدف، به عنوان بخشی از خط پرتو بین‌المللی هلمهولتز برای میدان‌های شدید (HIBEF)، یک کنسرسیوم تحقیقاتی به رهبری HZDR در ایستگاه آزمایشی HED XFEL اروپا در هامبورگ، بزرگترین لیزر اشعه ایکس جهان، برنامه‌ریزی شده است.

اصل اساسی این است که یک لیزر فوق العاده قدرتمند، فلاش های کوتاه و شدید نور را به یک محفظه خلاء ساخته شده از فولاد ضد زنگ شلیک می کند. هدف دستکاری نوسانات خلاء است به طوری که به نظر می رسد به طور جادویی قطبش پرتوهای ایکس را تغییر دهند. رعد و برق از XFEL اروپا، یعنی. جهت ارتعاش را بچرخانید

پروفسور رالف شوتولد، نظریه پرداز HZDR، توضیح می دهد: «این مانند لغزش یک خط کش پلاستیکی شفاف بین دو فیلتر پلاریزه و خم کردن آن به جلو و عقب است.

“فیلترها در ابتدا طوری تنظیم می شوند که نوری از آنها عبور نکند. خم شدن خط کش اکنون جهت نوسان نور را تغییر می دهد به گونه ای که در نتیجه چیزی دیده می شود.” در این قیاس، خط کش با نوسانات خلاء مطابقت دارد در حالی که فلاش لیزر فوق العاده قدرتمند آنها را خم می کند.

دو فلاش به جای یک فلاش

مفهوم اصلی شامل گرفتن تنها یک فلاش لیزری نوری در دوربین و استفاده از تکنیک‌های اندازه‌گیری تخصصی برای ثبت تغییر قطبش فلاش اشعه ایکس است. اما یک مشکل وجود دارد: شوتولد توضیح می دهد: “سیگنال احتمالاً بسیار ضعیف خواهد بود.” این امکان وجود دارد که از هر تریلیون فوتون اشعه ایکس، تنها یکی بتواند قطبش خود را تغییر دهد.

اما این ممکن است کمتر از حد اندازه گیری فعلی باشد – رویداد ممکن است به سادگی از طریق شکاف ها بدون شناسایی سقوط کند. بنابراین، شوتژولد و تیمش بر یک نوع متکی هستند: به جای تنها یک، آنها قصد دارند دو پالس لیزر نوری را به طور همزمان به داخل محفظه تخلیه شده شلیک کنند.

هر دو صاعقه به آنجا برخورد می کنند و به معنای واقعی کلمه با هم برخورد می کنند. پالس اشعه ایکس XFEL اروپایی درست در نقطه برخورد آنها روشن می شود. عامل تعیین کننده: برخورد فلاش های لیزری بر پالس اشعه ایکس به عنوان نوعی کریستال تأثیر می گذارد. همانطور که اشعه ایکس پراش می شود، یعنی. هنگام عبور از یک کریستال طبیعی، پالس اشعه ایکس XFEL نیز باید توسط “کریستال نور” کوتاه مدت دو فلاش لیزری برخوردی منحرف شود.

رالف شوتولد توضیح می‌دهد: «این نه تنها قطبش پالس اشعه ایکس را تغییر می‌دهد، بلکه در همان زمان کمی آن را منحرف می‌کند». محققان امیدوارند این ترکیب می تواند شانس واقعی اندازه گیری اثر را افزایش دهد. این تیم گزینه های مختلفی را برای زاویه برخورد دو فلاش لیزری که در دوربین برخورد می کنند محاسبه کردند. آزمایش ها نشان خواهند داد که کدام گزینه مناسب ترین خواهد بود.

هدف قرار دادن ذرات ارواح فوق سبک؟

چشم انداز حتی اگر هر دو باشد می تواند بیشتر بهبود یابد لیزر فلاش هایی که به داخل محفظه شلیک می شوند هم رنگ نبودند بلکه دارای دو طول موج متفاوت بودند. این همچنین اجازه می دهد تا انرژی فلاش اشعه ایکس کمی متفاوت باشد، که به اندازه گیری اثر نیز کمک می کند. شوتولد می‌گوید: «اما این از نظر فنی بسیار چالش‌برانگیز است و فقط می‌تواند در تاریخ بعدی اجرا شود.

این پروژه در حال حاضر در مرحله برنامه ریزی در هامبورگ همراه با تیم اروپایی XFEL در ایستگاه آزمایشی HED است و اولین آزمایشات قرار است در سال 2024 آغاز شود. در صورت موفقیت، می توانند یک بار دیگر QED را تایید کنند.

اما شاید آزمایش‌ها انحرافات را از نظریه تثبیت‌شده نشان دهند. این می تواند به دلیل ذرات کشف نشده قبلی باشد – به عنوان مثال، ذرات ارواح فوق سبک که به عنوان اکسیون شناخته می شوند. شوتولد می‌گوید: «و این می‌تواند نشانه روشنی از قوانین اضافی و قبلاً ناشناخته طبیعت باشد.»