Fundamentale Physik

B.1.1 | Von Larmor bis Unruh: Strahlungsmessung von stark beschleunigten Elektronen

B.1.2 | Optischer Zugang zum niedrigsten Kernübergang in 229Th

B.1.3 | Laserfrequenzkämme und neue Grenzen der Präzisionsspektroskopie

B.1.4 | Laserspektroskopie von Antimaterie-Atomen und Bestimmung des Proton/Elektron-Massenverhältnisses

B.1.5 | Frequenzkamm-basierte Fourier-Transformations-Spektroskopie

Auch im 21. Jahrhundert ist das Universum − nach vielen Flügen ins All und mit Teleskopen, die bis an seine Ränder schauen können − dennoch wissenschaftliches Neuland: ganze vier Prozent seiner Masse sind wirklich erforscht und deshalb bekannt! Von weiteren 23 % haben zumindest die Theoretiker eine Ahnung und nennen sie „Dunkle Materie“. Die Eigenschaften und Phänomene der restlichen 73 % sind vollständig unbekannt und haben den Namen „Dunkle Energie“. Leistungsfähige neue Laser lassen die Physiker nun erstmals in der Geschichte der Menschheit hoffen, den Antworten auf diese elementaren Fragen ein großes Stück näher zu kommen.

Laut Einstein beginnt alles Wissen über das Universum in der Betrachtung des Quantenvakuums. Entgegen landläufiger Vorstellung ist dieses jedoch kein leerer Raum. Unentwegt entstehen darin virtuelle Licht-Teilchen (Photonen), die nach unmessbar kurzer Zeit wieder verschwinden. Ein mittels Lasern sehr stark beschleunigtes Elektron erlebt nun auf seinem Weg diese virtuellen Teilchen wie ein Wärmebad mit einer bestimmten Temperatur, die nach dem Physiker, der diesen Effekt zuerst beschrieben hat, Unruh-Temperatur heißt. Wenn diese virtuellen Teilchen auf das beschleunigte Elektron treffen, werden sie daran gestreut. Durch diesen Streuvorgang können die virtuellen Licht-Teilchen nun als reale Teilchen wahrgenommen werden, so als ob das Quantenvakuum eine Temperaturstrahlung (mit der Unruh-Temperatur) aussenden würde. Das ist eine der besonderen Erscheinungen in der Quantenwelt, wenn sehr stark beschleunigte Systeme im Spiel sind. Die Besonderheit besteht nun darin, dass diese neu erzeugten Licht-Teilchen immer als miteinander korrelierte Paare auftreten; dies soll auch beim erstmaligen Nachweis dieses zwar seit mehr 30 Jahren theoretisch vorhergesagten, aber bislang noch nie nachgewiesenen Effektes ausgenutzt werden.

Der analoge Effekt tritt in Schwarzen Löchern als Hawking-Strahlung in Erscheinung. Diese Wärmeabgabe ist direkt an die Beschleunigung gekoppelt; bisher waren die möglichen Beschleunigungen viel zu gering, um die Wärmeabgabe messen zu können. Den Nachweis der Unruhstrahlung wollen die MAP-Physiker nun über die dabei entstehende Röntgenstrahlung führen. Durch die starken elektromagnetischen Felder der neuen Lasergeneration beschleunigen die MAP-Wissenschaftler einzelne Elektronen so stark, dass sie zuversichtlich sind, damit erstmals eine mit heutiger Technik messbare Unruhstrahlung erzeugen zu können.

Beim Anlegen eines ultra-starken elektromagnetischen Feldes entstehen im Vakuum darüber hinaus auch spontan Teilchen-Antiteilchen-Paare (Schwinger-Effekt), die sich direkt messen lassen. In allen Projekten sind die Laser oder die mit ihrer Hilfe erzeugten Sekundärstrahlen (zum Beispiel brillante kohärente Röntgen- und Gammastrahlung) die Grundlage für Experimente, die Theoretiker bereits vor Jahrzehnten postulierten, aber mangels Werkzeug nie durchführen konnten. Die neuen Laser ermöglichen so auch neue Erkenntnisse über das Quantenvakuum und über exotische Kernübergänge, die sich mit den Gammastrahlen in bislang unerreichter Qualität anregen lassen werden.