Un team di ricerca è stato in grado di generare raggi X polarizzati con una purezza senza precedenti presso l'XFEL europeo di Amburgo. Gli esperimenti hanno coinvolto scienziati dell'Helmholtz Institute Jena, una filiale del GSI, dell'Università Friedrich Schiller di Jena e dell'Helmholtz Center Dresden-Rossendorf. Il metodo dovrebbe essere utilizzato nei prossimi anni per dimostrare che anche il vuoto si comporta come un materiale in determinate circostanze, una previsione dell'elettrodinamica quantistica.

La polarizzazione della radiazione elettromagnetica descrive in quale piano nello spazio oscilla un'onda. Mentre le radiazioni elettromagnetiche quotidiane, come la luce solare, non sono polarizzate, i laser producono radiazioni polarizzate. Questo è un requisito importante per un'ampia gamma di esperimenti, dalla fisica dello stato solido all'ottica quantistica.

Ulteriori polarizzatori, come quelli sviluppati all'Helmholtz Institute di Jena, hanno lo scopo di migliorare ulteriormente la purezza della polarizzazione, ma per lungo tempo il limite di pochi 10 ^-10 non poteva essere spinto oltre. Nel 2018 Kai Schulze, primo autore del paper ora pubblicato su Physical Review Research , ha scoperto che la divergenza della radiazione di sincrotrone è la ragione di questo limite. "Quindi, per ottenere un ulteriore miglioramento della purezza, avevamo bisogno di una fonte con una migliore divergenza", afferma il fisico, che guida il lavoro sulla birifrangenza del vuoto presso HI Jena ed è corresponsabile dei relativi progetti di ricerca DFG presso l'Università di Jena. "La messa in servizio del laser a raggi X europeo, l'XFEL europeo, a Schenefeld, vicino ad Amburgo, ha posto le basi per questo."

Insieme agli scienziati dell'Università Friedrich Schiller di Jena e dell'Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, Schulze e il suo team hanno sviluppato un esperimento presso l'XFEL europeo che ha stabilito un nuovo record di purezza di 8×10 ^-11 grazie a speciali cristalli polarizzatori, un allineamento molto preciso e una configurazione stabile. Questo nuovo record di purezza ha già consentito una serie di esperimenti sull'ottica quantistica nella gamma dei raggi X e sulla distribuzione della carica nei solidi. Tuttavia, particolare interesse è dedicato alla rilevazione della cosiddetta birifrangenza del vuoto.

L'interazione della luce con la luce è stata descritta già nel 1936 da Werner Heisenberg e Hans Euler, ma non è stata ancora osservata direttamente sulla Terra. "La birifrangenza del vuoto è attualmente l'effetto più promettente per rilevare direttamente l'interazione luce-luce", spiega Schulze. "In questo processo, la polarizzazione di un raggio campione cambia quando si scontra nel vuoto con un secondo raggio di luce molto intenso. Il vuoto agisce quindi come un cristallo birifrangente, che influisce anche sulla polarizzazione; da qui il nome. L'effetto è estremamente piccolo, ma cresce al diminuire della lunghezza d'onda del raggio campione. I precisi polarizzatori nella gamma dei raggi X forniscono quindi un buon strumento per rilevare l'effetto."

Lo strumento ad alta densità di energia all'XFEL europeo fornirà le condizioni ideali per un simile esperimento in futuro, spiega ancora Schulze. E il team di ricerca ha ora una configurazione con cui è possibile misurare i più piccoli cambiamenti di polarizzazione. Il rilevamento della birifrangenza nel vuoto non solo sosterrebbe ulteriormente le basi dell'elettrodinamica quantistica, ma, se emergono deviazioni dalle aspettative teoriche, fornirebbe anche indizi su particelle elementari precedentemente sconosciute (come assioni o particelle millicaricate). "Speriamo di poter lanciare i primi esperimenti nei prossimi anni."

La rilevazione del fenomeno sarebbe interessante anche per futuri esperimenti presso il centro dell'acceleratore di particelle FAIR. "Se riusciamo a misurare la birifrangenza del vuoto, ciò aiuterà a interpretare i dati di misurazione da FAIR. Tra le altre cose, la polarizzazione del vuoto svolgerà un ruolo, che è strettamente legato alla birifrangenza del vuoto", ha affermato Schulze. + Esplora ulteriormente

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