Das Geheimnis des Vakuums erstmals nachweisen

Für die meisten Menschen ist das Vakuum ein leerer Raum. Die Quantenphysik hingegen geht davon aus, dass selbst in diesem Zustand niedrigster Energie noch Teilchen und Anti-Teilchen fluktuieren. Eine Annahme, für die bisher kein eindeutiger Beleg erbracht werden konnte.

Um die Prozesse im vermeintlichen Nichts über 80 Jahre nach deren Vorhersage durch Werner Heisenberg und Hans Euler erstmals experimentell nachweisen zu können, hat jetzt eine neue Forschungsgruppe der Universität Jena ihre Arbeit aufgenommen. Der Quantentheoretiker Prof. Dr. Holger Gies leitet die Gruppe, deren Bezeichnung „Probing the Quantum Vacuum at the High-intensity Frontier“ zugleich das Ziel der Forschungen formuliert.

Am auf sechs Jahre angelegten Projekt sind neben der Universität Jena auch das Helmholtz-Institut Jena (HIJ) und die Universitäten in Düsseldorf und München (LMU) beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die erste, dreijährige Phase mit rund zwei Millionen Euro, womit v. a. neun Doktorandenstellen, fünf davon in Jena, finanziert werden.

Licht macht Phänomene im „leeren Raum“ sichtbar

Die Forschungsgruppe will mit starken Feldern an den Quanten wackeln, versuchen die Experten das Forschungsziel einfach zu beschreiben. Sie wollen Quantenvakuumprozesse, die den Grundzustand der Natur bilden, mit Hochintensitätslasern nachweisen.

„Das Besondere an unserem Team ist das enge Zusammenspiel von fundamentaler Theorie und hoher Experimentierkunst“, erläutert Dr. Felix Karbstein, Theoretiker am HIJ, der an genauen Vorhersagen für Messgrößen arbeitet, in denen die im Vakuum extrem kurz entstehenden Teilchen und ihre Anti-Teilchen ihre Spuren hinterlassen.

Die Jenaer Experimentalphysiker sowie die Kollegen an der LMU arbeiten derweil an der Methodik, um den praktischen Nachweis zu erbringen. Dazu entwickeln und kombinieren sie leistungsstarke Laser mit neuartigen, präzisen Messverfahren, so dass die flüchtigen Prozesse im Vakuum gemessen werden können.

Bislang existierten keine Lichtquellen, die für eine experimentelle Überprüfung leistungsfähig genug waren. Die modernen Hochintensitätslaser, die bei den Versuchen zum Einsatz kommen, nähern sich inzwischen der notwendigen Laserleistung. Daher werden die Experimente nicht nur in Jena und München, sondern auch am Europäischen Röntgenlaser bei DESY in Hamburg durchgeführt.

Die Phänomene des Quantenvakuums, die Gies und sein Team beweisen wollen, werden in der modernen Physik als fundamental und exotisch zugleich angesehen. Zu ihnen zählen beispielsweise die multiphotonische Erzeugung von Teilchenpaaren aus dem Vakuum oder Streuphänomene des Lichts, wie die sogenannte Quantenreflexion. Diesen schwer zu fassenden Ereignissen ist jedoch nicht nur die Jenaer Forschungsgruppe auf der Spur.

„Wir befinden uns in einem internationalen Wettbewerb“, weiß Holger Gies. Der Physiker ist allerdings „sehr hoffnungsvoll, weil ich sehr großes Vertrauen zu den experimentellen Kollegen habe“, dass die Forschungsgruppe aufgrund der besonderen Nähe von Theorie und Praxis den Nachweis als erstes führen kann.

Eigenschaften des Vakuums als Bausteine nutzen

Nachweis und Verständnis der Vakuumphänomene wären nicht nur für die Quantenphysik selbst von Bedeutung. Moderne Hochleistungslaser und präzise Messmethoden sind aus der Medizin, den Lebenswissenschaften und der Materialforschung nicht mehr wegzudenken. So könnten die Ergebnisse in Zukunft bei der Entwicklung von Geräten helfen, die die Eigenschaften des Vakuums als Bausteine nutzen.

„Bei der Erforschung des Quantenvakuums kommen wir Grundlagenforscher einer konkreten Anwendung somit vergleichsweise nahe“, sagt Gies. Andererseits bestehe sogar die Möglichkeit, Hinweise auf Kandidaten für die rätselhafte Dunkle Materie zu finden, die für Strukturbildung im Universum verantwortlich ist, aber auch im Quantenvakuum Spuren hinterlassen könnte – doch zuerst müssen die erhofften Ergebnisse realisiert werden: Die Forschungsgruppe geht dem Vakuum nun verstärkt auf den Grund.

Prof. Dr. Holger Gies
Theoretisch-Physikalisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien Platz 1
07743 Jena
Tel.: 03641 / 947190
E-Mail: holger.gies@uni-jena.de