Wat bevindt zich in het vacuüm? Onderzoeksgroep bestudeert het ‘niets’

Een vacuüm is leeg, nietwaar? Of toch niet? In ieder geval niet voor kwantumfysici. Ze gaan er namelijk vanuit dat zelfs daarin deeltjes en antideeltjes aanwezig zijn. Tot nu toe is er nog geen duidelijk bewijs voor deze hypothese. De Duitse natuurkundigen Werner Heisenberg en Hans Euler vermoedden echter al dat er lichtwisselwerking plaatsvindt in het zogenaamde “niets”, en nu hebben onderzoeksgroepen aan de Universiteit van Jena, het Helmholtz Instituut Jena (HIJ), de Universiteit van Düsseldorf en de Ludwig Maximilian Universiteit München (LMU) zich ten doel gesteld om voor het eerst fysische processen in het kwantumvacuüm door middel van experimenten aan te tonen.

LICHT MAAKT VERSCHIJNSELEN IN DE “LEGE RUIMTE” ZICHTBAAR

“Sterke velden moeten de quanta doen trillen.” Zo omschrijven de deskundigen hun onderzoeksdoel voor niet-fysici. Om precies te zijn, willen ze lasers met hoge intensiteit gebruiken om kwantumvacuüm-processen te ontdekken die de basistoestand van de natuur vormen. “Het bijzondere aan ons team is de nauwe samenwerking tussen elementaire theorie en experimenteerkunst”, vertelt Dr. Felix Karbstein, theoreticus bij het HIJ. Karbstein werkt aan de precieze voorspelling van de hoeveelheden waarin de deeltjes en hun antideeltjes, die extreem vluchtig zijn, hun sporen in het vacuüm achterlaten.

De experimentele natuurkundigen van Jena en hun collega’s van de LMU doen momenteel onderzoek naar een methode om dit in de praktijk te bewijzen. Hiertoe ontwikkelen en combineren ze krachtige lasers met nieuwe, nauwkeurige meetmethoden. Op deze manier kunnen de vluchtige processen in een vacuüm worden gemeten. Tot nu toe waren er nog geen lichtbronnen die krachtig genoeg waren voor experimenteel onderzoek. Maar inmiddels benaderen de moderne hoog-intensieve lasers die in de experimenten worden gebruikt het vereiste laservermogen. Daarom zullen de experimenten niet alleen in Jena en München worden uitgevoerd, maar ook bij de Europese röntgenlaser bij DESY in Hamburg.

De moderne natuurkunde beschouwt de verschijnselen van het kwantumvacuüm die Gies en zijn team willen bewijzen als zowel fundamenteel als exotisch. Het gaat hierbij bijvoorbeeld om de multi-fotone generatie van deeltjesparen uit het vacuüm en de verstrooiing van licht, zoals de zogeheten quantumreflectie. Niet alleen de onderzoeksgroep Jena is echter op het spoor van deze moeilijk te vatten gebeurtenissen. “We bevinden ons in een internationale competitie”, zegt Prof. Dr. Holger Gies, kwantumtheoreticus en hoofd van de onderzoeksgroep. De natuurkundige hoopt – omdat hij overtuigd is van de capaciteiten van zijn experimentele collega’s – dat de onderzoeksgroep als eerste in staat zal zijn dit te bewijzen vanwege hun specifieke combinatie van theorie en praktijk.

EIGENSCHAPPEN VAN HET VACUÜM ALS BASISMATERIAAL

Het opsporen en begrijpen van vacuümverschijnselen is niet alleen van belang voor de kwantumfysica zelf. De resultaten zouden in de toekomst kunnen helpen bij de ontwikkeling van apparaten die de eigenschappen van het vacuüm als bouwstenen gebruiken. Moderne hoogwaardige lasers en nauwkeurige meetmethoden zijn bijvoorbeeld inmiddels ook onmisbaar in de geneeskunde, biowetenschappen en materiaalonderzoek. “Bij het onderzoek naar het kwantumvacuüm komen we als basisonderzoekers relatief dichtbij concrete toepassing,” zegt Gies. Tegelijkertijd is er zelfs de mogelijkheid om aanwijzingen te vinden van kandidaten die de mysterieuze donkere materie zouden kunnen verklaren. Deze is op zijn beurt weer verantwoordelijk voor de structuurvorming van het universum. Ze zouden ook sporen achter kunnen laten in het kwantumvacuüm. Maar eerst moeten de onderzoekers de hypothese nog aantonen, namelijk dat er fysieke processen plaatsvinden, zelfs in de laagste energietoestand.

Het onderzoeksproject getiteld “Probing the Quantum Vacuum at the High-intensity Frontier” staat gepland voor een periode van zes jaar. De eerste, drie jaar durende fase wordt gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft met ongeveer twee miljoen euro en in totaal negen doctoraatsfuncties.