PVLAS ( Polarizzazione del Vuoto con LASer , „Polarisation des Vakuums mit Laser“) hat zum Ziel, die Quantenelektrodynamik zu testen und möglicherweise Dunkle Materie nachzuweisen. Das Projekt wird am Fachbereich Physik und am Nationalen Institut für Kernphysik (INFN) in Ferrara , Italien , durchgeführt. Es sucht nach Vakuumpolarisation, die nichtlineares optisches Verhalten in Magnetfeldern hervorruft. Die Experimente begannen 2001 im INFN- Labor in Legnaro (Padua, Italien) und werden heute mit neuer Ausrüstung fortgesetzt.

Hintergrund

Nichtlineare elektrodynamische Effekte im Vakuum wurden bereits in den Anfängen der Quantenelektrodynamik (QED) vorhergesagt, wenige Jahre nach der Entdeckung der Positronen . Ein solcher Effekt ist die magnetische Doppelbrechung im Vakuum, die eng mit der elastischen Licht-Licht-Wechselwirkung zusammenhängt. Dieser Effekt ist extrem klein und konnte bisher noch nie direkt beobachtet werden. Obwohl die QED heute eine sehr gut geprüfte Theorie ist, bleibt die Untersuchung der Licht-Licht-Wechselwirkung von großer Bedeutung. Erstens wurde die QED stets in Gegenwart geladener Teilchen im Anfangs- oder Endzustand getestet. Es existieren keine Tests in Systemen, die ausschließlich Photonen enthalten. Allgemeiner gesagt, wurde noch nie eine Wechselwirkung direkt beobachtet, wenn sich im Anfangs- und Endzustand ausschließlich Eichbosonen befinden. Zweitens beruht der Nachweis von Nullpunktsfluktuationen bisher ausschließlich auf der Beobachtung des Casimir-Effekts , der nur für Photonen gilt. PVLAS untersucht die Fluktuationen virtueller geladener Teilchen-Antiteilchen-Paare (jeglicher Art, einschließlich hypothetischer Milliladungen ) und damit die Struktur des fermionischen Quantenvakuums: In führender Ordnung wäre dies ein direkter Nachweis von Schleifendiagrammen. Die Beobachtung der Licht-Licht-Wechselwirkung wäre ein Beweis für die Nichtgültigkeit des Superpositionsprinzips und der Maxwell-Gleichungen . Eine wichtige Konsequenz einer Nichtlinearität wäre, dass die Lichtgeschwindigkeit von der Anwesenheit anderer elektromagnetischer Felder abhinge. PVLAS untersucht die Änderungen des Polarisationszustands eines linear polarisierten Laserstrahls nach dessen Durchgang durch ein Vakuum mit einem starken Magnetfeld . [ 1 ] Die Doppelbrechung des Vakuums in der Quantenelektrodynamik durch ein externes Feld wird im Allgemeinen Stephen L. Adler zugeschrieben , der 1971 die erste allgemeine Herleitung in Photon splitting and photon dispersion in a strong magnetic field vorlegte . Experimentelle Untersuchungen der Photonenspaltung im atomaren Feld [ 2 ] wurden 1993-96 an der ROKK-1- Anlage des Budker-Instituts durchgeführt .

Design

PVLAS nutzt einen Fabry-Perot-Resonator mit hoher Finesse. Der erste Aufbau, der bis 2005 verwendet wurde, leitete einen linear polarisierten Laserstrahl durch ein Vakuum mit einem 5-Tesla-Magneten von einem supraleitenden Magneten zu einem Ellipsometer. Nach Verbesserungen zur Vermeidung von Streufeldern wurden mehrere Messungen bei 2,3 T und 5 T durchgeführt, wobei ein zuvor behaupteter Axionennachweis widerlegt wurde . Es wurde festgestellt, dass ein optimierter optischer Aufbau für das Entdeckungspotenzial erforderlich war. Ein Prototyp mit deutlich verbesserter Empfindlichkeit wurde 2010 getestet. [ 3 ] Im Jahr 2013 wurde die verbesserte Anlage am INFN Ferrara mit Permanentmagneten und horizontalem Ellipsometer aufgebaut [ 4 ] und nahm 2014 den Betrieb auf.

Ergebnisse

PVLAS untersuchte die durch externe Magnetfelder induzierte Vakuumpolarisation. [ 5 ] Die Beobachtung der Drehung der Lichtpolarisation durch das Vakuum in einem Magnetfeld wurde 2006 veröffentlicht. [ 6 ] Daten, die 2008 mit einem verbesserten Messaufbau gewonnen wurden, schlossen die zuvor beobachtete magnetische Drehung aus [ 7 ] und legten Grenzen für die Photon-Photon-Streuung fest . [ 8 ] Eine verbesserte Grenze für nichtlineare Vakuumeffekte wurde 2012 festgelegt: [ 9 ] A <sub>e</sub> < 2,9 × 10 <sup>−21</sup> T <sup>−2 </sup> bei 95 % Konfidenzintervall.

Siehe auch

Referenzen und Anmerkungen

  1. ^ „ Das PVLAS-Experiment “ . Archiviert vom Original am 12.06.2007 . Abgerufen am 05.11.2009 .
  2. ^ Akhmadaliev, Sh. Zh.; Kezerashvili, G. Ya.; Klimenko, SG; Lee, RN; Malyshev, VM; Maslennikov, AL; Milov, AM; Milstein, AI; Muchnoi, N. Yu. (19.07.2002). „Experimentelle Untersuchung der Hochenergie-Photonenspaltung in atomaren Feldern“. Physical Review Letters . 89 (6) 061802. arXiv : hep-ex/0111084 . Bibcode : 2002PhRvL..89f1802A . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.061802 . PMID 12190576. S2CID 18759344 .  
  3. ^ Della Valle, F.; Di Domenico, G.; Gastaldi, U.; Milotti, E.; et al. (1. November 2010). „Auf dem Weg zu einer direkten Messung der magnetischen Vakuumdoppelbrechung: PVLAS-Erfolge“. Optics Communications . 283 (21): 4194–4198 . arXiv : 0907.2642 . Bibcode : 2010OptCo.283.4194D . doi : 10.1016/j.optcom.2010.06.065 . S2CID 119245837 . 
  4. ^ Della Valle, F.; Di Domenico, G.; Gastaldi, U.; Milotti, E.; et al. (2013). „Das neue PVLAS-Gerät zum Nachweis der magnetischen Doppelbrechung im Vakuum“. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment . 718 : 495–496 . Bibcode : 2013NIMPA.718..495D . doi : 10.1016/j.nima.2012.11.084 .
  5. ^ JC Spooner, Neil; Kudryavtsev, Vitaly (2001). Die Identifizierung Dunkler Materie . World Scientific . S. 482. ISBN 978-981-02-4602-0Die
  6. ^ Zavattini, E.; Zavattini, G.; Ruoso, G.; Polacco, E.; et al. (2006). „Experimentelle Beobachtung der optischen Rotation, die im Vakuum durch ein Magnetfeld erzeugt wird“. Physical Review Letters . 96 (11) 110406. arXiv : hep-ex/0507107 . Bibcode : 2006PhRvL..96k0406Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.110406 . PMID 16605804 . 
  7. ^ Zavattini, E.; Zavattini, G.; Ruoso, G.; Raiteri, G.; et al. (2008). „Neue PVLAS-Ergebnisse und Grenzen für magnetisch induzierte optische Rotation und Elliptizität im Vakuum“. Physical Review D. 77 ( 3) 032006. arXiv : 0706.3419 . Bibcode : 2008PhRvD..77c2006Z . doi : 10.1103/PhysRevD.77.032006 . S2CID 53474978 . 
  8. ^ Bregant, M.; Cantatore, G.; Carusotto, S.; Cimino, R.; et al. (2008). „Grenzen der Photon-Photon-Streuung niedriger Energie aus einem Experiment zur magnetischen Vakuumdoppelbrechung“. Physical Review D. 78 ( 3) 032006. arXiv : 0805.3036 . Bibcode : 2008PhRvD..78c2006B . doi : 10.1103/PhysRevD.78.032006 . S2CID 119311826 . 
  9. ^ ZAVATTINI, G.; GASTALDI, U.; PENGO, R.; RUOSO, G.; et al. (20. Juni 2012). „Messung der magnetischen Doppelbrechung des Vakuums: Das Pvlas-Experiment“. Internationale Zeitschrift für moderne Physik A . 27 (15): 1260017. arXiv : 1201.2309 . Bibcode : 2012IJMPA..2760017Z . doi : 10.1142/S0217751X12600172 . S2CID 119248772 .