Snímek s expozicí 90 sekund v naprosté tmě ukazuje paprsek laseru European XFEL. Kredit: European XFEL / Jan Hosan,

Jak každý ví, vakuum je úplně prázdné nic. Tedy teoreticky. Nikoliv ovšem pro kvantovou mechaniku. Ta nevnímá vakuum jako nic, ale jako možnost. Ve kvantové mechanice se ve vakuu vlní elektromagnetické vlny a jako duchové se tam zjevují virtuální částice s antičásticemi. Jsou to kvantové fluktuace vakua.

Zní to podivně, jak je ostatně u kvantové mechaniky zvykem. Ale tyto kvantové podivnosti podle všeho těsně souvisejí třeba s Hawkingovým zářením anebo s Casimirovým jevem. Magii virtuálních částic zřejmě není možné zachytit přímo, ale můžeme nepřímo pozorovat jejich vliv, prostřednictvím změn elektromagnetických polí v přítomnosti dalších částic.

Experimenty budou probíhat na výzkumné stanici HED (High Energy Density Science). Kredit: European XFEL / Jan Hosan.

Problém je v tom, že doposud nebylo možné ověřit existenci kvantových fluktuací vakua bez přítomnosti jiných částic. Pokud by se to povedlo, byl by to posun v ověřování kvantové elektrodynamiky (QED). Když by takové experiment odhalil nějaké nesrovnalosti, mohlo by to znamenat existenci nových, doposud neobjevených částic.

Testovat kvantové fluktuace vakua bez přítomnosti jiných částic je ovšem heroický úkol. Teď se s ním hodlá porvat výzkumné konsorcium Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), které vedou odborníci německého výzkumného centra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Jejich plánem je drásat kvantové vakuum gigantickým rentgenovým laserem European XFEL (X-ray Free-Electron Laser), donedávna nejvýkonnějším rentgenovým laserem světa, který sídlí v Hamburku.

Logo. Kredit: European XFEL.

Experimenty budou vypadat tak, že rentgenový laser European XFEL bude pálit krátké a intenzivní laserové pulzy do ocelové komory s vakuem. Cílem je dosáhnout toho, aby kvantové fluktuace vakua měnily polarizaci laserového paprsku. Háček je ale v tom, že signál úspěšné detekce může být nesmírně slabý. Jak přiznává teoretický fyzik Ralf Schützhold z HZDR, je klidně možné, že kvůli kvantovým fluktuacím vakua změní polarizaci jeden foton rentgenového paprsku z bilionu. Může to být pod prahem měřitelnosti jejich přístrojů.

Proto Schützhold a jeho tým navrhují pálit do zmíněné komory s vakuem ještě dva laserové paprsky viditelného záření současně, tak, aby se paprsky v komoře střetly. Monumentální rentgenový laser European XFEL nasměrují do místa střetu těchto laserových paprsků. Střetnutím laserových paprsků viditelného záření totiž na velmi krátkou dobu vznikne „světelný krystal,“ tedy struktura, která ovlivní přilétající paprsek rentgenového laseru. Tento postup by měl zvýšit šance na úspěch experimentů.

Nastavení experimentů bude nejprve nutné vyzkoušet a v případě potřeby doladit. Na laseru European XFEL se už plánuje postup experimentů. Jejich spuštění se blíží. European XFEL by měl začít bušit do kvantových fluktuací vakua už v příštím roce (2024). Pokud by vše dopadlo dle očekávání a jako bonus by byly objeveny odchylky od mainstreamových modelů, mohlo by to například vést k objevu axionů, ultralehkých částic, které jsou mezi předními kandidáty na temnou hmotu.

Video: European XFEL in a nutshell

Literatura

Helmholtz Association of German Research Centres 13. 11. 2023.

Physical Review D 108: 076005.