追踪真空的量子涨落探索物理学的极限

绝对空——这就是我们大多数人对真空的想象。然而，实际上，它充满了能量的闪烁：量子涨落。专家们目前正在准备一项激光实验，旨在以一种新颖的方式验证这些真空涨落，这可能为新的物理定律提供线索。来自亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心(HZDR)的研究团队制定了一系列提案，旨在帮助更有效地进行实验，从而增加成功的机会。该团队在《PhysicalReviewD》中展示了其发现。

物理学界很早就意识到真空并非完全真空，而是充满了真空涨落——一种不祥的量子在时间和空间中闪烁。尽管无法直接捕获它，但可以间接观察到它的影响，例如通过微小颗粒电磁场的变化。

然而，尚无法在不存在任何粒子的情况下验证真空波动。如果这一点能够实现，物理学的基本理论之一——量子电动力学(QED)——将在迄今为止未经测试的领域得到证明。然而，如果这样的实验揭示了与理论的偏差，那就表明存在新的、以前未被发现的粒子。

旨在实现这一目标的实验计划作为亥姆霍兹国际极端场光束线(HIBEF)的一部分，该研究联盟由HZDR领导，位于汉堡欧洲XFEL的HED实验站，这是世界上最大的X射线激光器。

基本原理是超强激光向真空不锈钢室发射短而强烈的闪光。其目的是操纵真空波动，使其看似神奇地改变欧洲XFEL的X射线闪光的偏振，即旋转其振荡方向。

HZDR理论家RalfSchützhold教授解释道：“这就像在两个偏振滤光片之间滑动一根透明塑料尺，然后将其来回弯曲。”

“滤光片最初的设置是为了防止光线通过。现在弯曲尺子会改变光线振荡的方向，从而可以看到一些东西。”在这个类比中，尺子对应于真空波动，而超强大的激光闪光则使它们弯曲。

闪烁两次而不是一次

最初的概念是将一束光学激光闪光射入腔室，并使用专门的测量技术来记录它是否改变了X射线闪光的偏振。但存在一个问题：“信号可能极其微弱，”舒茨霍尔德解释道。“可能只有万亿分之一的X射线光子会改变其偏振。”

但这可能低于当前的测量极限——该事件可能会轻易地漏掉而不被发现。因此，舒茨霍尔德和他的团队依赖于一种变体：他们打算同时向真空室发射两个光学激光脉冲，而不是仅仅使用一种。

两道闪光都会击中那里并真正相撞。欧洲XFEL的X射线脉冲被设置为精确射入它们的碰撞点。决定性因素：碰撞的激光闪光像晶体一样影响X射线脉冲。正如X射线在穿过天然晶体时会发生衍射(即偏转)一样，XFELX射线脉冲也应该被两个碰撞激光闪光的短暂存在的“光晶体”偏转。

“这不仅会改变X射线脉冲的偏振，同时还会使其稍微偏转，”RalfSchützhold解释道。研究人员希望，这种组合可以增加实际测量效果的机会。该团队计算了在室内碰撞的两个激光闪光的撞击角度的各种选择。实验将证明哪种变体最合适。

针对超轻幽灵粒子?

如果射入腔室的两束激光闪光不是相同的颜色而是具有两种不同的波长，那么前景甚至可以进一步改善。这也将使X射线闪光的能量发生轻微变化，这同样有助于测量效果。“但这在技术上相当具有挑战性，可能只能在以后实施，”舒茨霍尔德说。

该项目目前正与汉堡HED实验站的欧洲XFEL团队一起处于规划阶段，首次试验计划于2024年启动。如果成功，他们可以再次确认QED。

但也许实验会揭示与既定理论的偏差。这可能是由于之前未被发现的粒子造成的，例如，被称为轴子的超轻鬼粒子。舒茨霍尔德说：“这将清楚地表明存在额外的、以前未知的自然法则。”