Fundamentale Wechselwirkungen
Präzisionsinterferometrie und Polarimetrie für die Suche nach dem dunklen Sektor und für quantenelektrodynamische Experimente
Die Mitglieder dieser Forschungsgruppe entwickeln Polarimetrie in Resonatoren und Interferometrie mit langen Messstrecken. Damit untersuchen sie axionähnliche Teilchen und magnetische Doppelbrechung im Vakuum und damit verbundene fundamentalphysikalische Themen. Sie leisten gleichzeitig einen wichtigen Beitrag zur optischen Messtechnik für Großexperimente.
Unsere Ziele
Wir entwickeln Experimente für ultra-stabile optische Messungen, um nach neuen physikalischen Phänomenen zu suchen. Unsere Werkzeuge sind Resonatoren mit hoher Finesse, Präzisionspolarimetrie und Heterodyn-Interferometrie.
Mit diesen Experimenten und Werkzeugen
- erkunden wir den dunklen Sektor und suchen nach axionähnlichen Teilchen, die ein vielversprechender Kandidat für dunkle Materie sind,
- wollen wir die magnetische Doppelbrechung im Vakuum nachweisen, einen extrem kleinen quantenelektrodynamischen Effekt, der in den 1930er Jahren vorhergesagt wurde, und
- entwickeln wir Methoden zur Beobachtung von ultrahochfrequenten Gravitationswellen.
Unsere Messtechnik leistet einen Beitrag zu Großexperimenten wie ALPS II am DESY und möglicherweise auch zu zukünftigen Instrumenten mit langen Messstrecken auf der Erde und im Weltraum.
Forschung
Unsere Forschung bringt leistungsstarke Hardware, hochentwickelte Steuerung und innovative Analysemethoden zusammen, um eine nur durch das Hintergrundrauschen begrenzte Empfindlichkeit in den drei folgenden, unterschiedlichen, aber miteinander verbundenen Bereichen zu erreichen:
Der dunkle Sektor
ALPS II und APE: zwei komplementäre Wege zur Suche nach axionähnlichen Teilchen – sehr leichten Bosonen, die mit Photonen wechselwirken.
Magnetische Doppelbrechung im Vakuum
Untersuchung der nichtlinearen Optik des quantenmechanischen Vakuums mit starken Magnetfeldern und ultrastabiler Polarimetrie.
Ultrahochfrequente Gravitationswellen
Konzeptstudien für den Nachweis von ultrahochfrequenten Gravitationswellen mit optischer Messtechnik.
- ALPS II (DESY): Licht-scheint-durch-eine-Wand-Experiment um generische Wechselwirkungen mit Photonen mittels zwei 120-m-Resonatoren und Heterodyn-Auslesung zu untersuchen
- APE: ein kompaktes Polarimeter mit Resonatoren für die schmalbandige Suche nach dunkler Materie. Die Steuerungs und Analysemethoden sind dieselben wie bei ALPS II.
Wir führen Experimente durch, um die nichtlineare Optik des quantenmechanischen Vakuums mit starken Magnetfeldern und ultrastabiler Polarimetrie zu untersuchen. Unsere Experimente basieren auf optischen Resonatoren mit hoher Finesse in zwei komplementären Konfigurationen:
- Laborexperimente mit Polarimetrie in Resonatoren mit rotierenden/schnell geschalteten Halbach-Magneten auf aktiven Magnetlagern und
- ein interferometrischer Ansatz in der langen Magnetstrecke von ALPS II für einen makroskopischen Test der Quantenelektrodynamik.
Wir erforschen neue Methoden für den Nachweis von ultrahochfrequenten Gravitationswellen mithilfe optischer Messtechnik.
- Sie basieren auf einem Drei-Felder-Heterodyn-Prinzip: einem statischen Magnetfeld, einer optischen Trägerwelle und einer vorbeifliegenden Gravitationswelle.
- Die ausgelesenen Seitenbandfrequenzen sind linear proportional zur Stärke der Gravitationswelle im optischen Band (Laserwelle bei 1064 nm).
- Machbarkeitsstudien werden im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers durchgeführt.
Forschungshighlights
Mehr über unsere Forschung
Ausführliche Hintergrundinformationen
Warum gehen wir davon aus, dass einen „dunklen Sektor“ gibt?
Galaktische Rotationskurven: In unserem Sonnensystem bewegen sich die äußeren Planeten, die weiter von der zentralen Masse (unserer Sonne) entfernt sind, langsamer. Forschende gingen davon aus, dass Galaxien sich genauso verhalten. Stattdessen bewegen sich dort die äußeren Sterne mit höheren Geschwindigkeiten. Wissenschaftler*innen erklären dieses Verhalten durch die Anwesenheit unsichtbarer dunkler Materie in Galaxien. Sie bringt zusätzliche Masse ins Spiel und führt zu den beobachteten höheren Geschwindigkeiten der Sterne auf äußeren Umlaufbahnen.
Das starke CP-Problem: Die aktuelle mathematische Formulierung der Quantenchromodynamik lässt Verletzungen der CP-Symmetrie (Ladungskonjugationsparität) zu. Experimente, die allein die starke Wechselwirkung untersuchen, haben jedoch nie eine solche CP-Symmetrie-Verletzung beobachtet. Das elektrische Dipolmoment des Neutrons ist nahezu Null. Warum ist die Natur so perfekt fein abgestimmt?
Die Lösung – das Axion betritt die Bühne
Das Axion: Peccei und Quinn schlugen im Jahr 1977 ein neues Feld vor, um die CP-Verletzung auf Null zu reduzieren. Das Teilchen zu diesem Feld ist das Axion.
Welche Eigenschaften hat das Axion? Es handelt sich um ein extrem leichtes Pseudo-Nambu-Goldstone-Boson mit einer Masse im Sub-eV-Bereich. Es wechselwirkt nur sehr wenig mit anderen Elementarteilchen. In Magnetfeldern können Axionen in Photonen umgewandelt werden.
Das Axion löst das starke CP-Problem und ist ein vielversprechender Kandidat für dunkle Materie. So lassen sich zwei seit langem bestehende Rätsel der Physik gleichzeitig lösen.
Die Suche nach dem Axion mit ALPS II
Von Photonen zu Axionen und wieder zurück: ALPS II ist ein Experiment, bei dem „Licht durch eine Wand scheint“. Es hat das Ziel, Axionen im Labor zu erzeugen. Dafür werden Axionen modellunabhängig aus Photonen in einem starken Magnetfeld produziert. In einem „Produktionsresonator“ wird Laserlicht hoher Leistung in einem starken Magnetfeld in Axionen umgewandelt. Diese schwach wechselwirkenden Teilchen durchdringen eine lichtundurchlässige Wand und gelangen in einen „Wiedergewinnungsresonator“ hinter der Wand. In diesem zweiten Resonator werden die Axionen in einem zweiten starken Magnetfeld wieder in Photonen umgewandelt.
Schlüsseltechnologien:
- Doppelte, hochpräzise Resonatoren: Zwei 120 m lange optische Resonatoren sind auf dieselbe Laserfrequenz abgestimmt. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung von Photonen in Axionen und von Axionen zurück in Photonen.
- Heterodyn-Auslesung: Wiedergewonnene Photonen werden mit einem lokalen Oszillator (Laserlicht) interferiert, um einzelne Photonen im Rauschen nachzuweisen.
- Clevere Schätzmethoden: Eine statistische Kalibrierung unterscheidet echte Axion-Signale von Licht, das in das System eindringt.
Polarimetrie dunkler Materie mit APE
Das Axion Precision Experiment (APE) untersucht den „Wind“ der dunklen Materie, der durch ein Experiment „weht“, das sich in einem Labor des Instituts befindet. Es sucht nach einer schmalen Spektrallinie, die durch die Schwingung des lokalen Feldes dunkler Materie verursacht wird. So entsteht auch ohne externes Magnetfeld eine Polarisierung.
Das Messprinzip: Dunkle Materie aus Axionen wirkt als doppelbrechendes Medium. Die Schwingung des lokalen Feldes der Dunklen Materie rotiert die Polarisation des im Resonator zirkulierenden Lichts auch ohne äußeres Magnetfeld.
Status: Aktuell wird ein 1,5 m langer Resonator eingesetzt, um die grundlegende Leistung des „verlustarmen Polarimeters” zu ermitteln. Die optische Anordnung verwendet Wellenplatten in der Nähe der Spiegel, um die Polarisationsdrehung in messbare Elliptizität umzuwandeln (und umgekehrt). Das Experiment wird in einem breiten Frequenzbereich von Millihertz bis hin zu Kilohertz durchgeführt. Für diese Suche nach Oszillationen ist kein starkes statisches Magnetfeld erforderlich.
Magnetische Doppelbrechung im Vakuum
Magnetisiertes Vakuum in der Quantenelektrodynamik: In der klassischen Physik ist ein Vakuum einfach „nichts“. Licht breitet sich unverändert durch ein Vakuum aus. Nach den Vorhersagen der Quantenelektrodynamik (QED) verhält sich ein Vakuum, das von einem starken Magnetfeld durchsetzt ist, jedoch wie ein doppelbrechender Kristall.
Wenn linear polarisiertes Licht dieses „magnetisierte Vakuum“ durchläuft, breiten sich seine Polarisationskomponenten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus und wandeln es in elliptisch polarisiertes Licht um. Dieser Effekt heißt magnetische Doppelbrechung im Vakuum (vacuum magnetic birefringence, VMB).
Die wissenschaftlichen Gründe: VMB untersucht die Licht-Licht-Streuung makroskopischer elektromagnetischer Felder. Das ist eine bislang noch nicht beobachtete Vorhersage der QED für starke Felder bei niedrigen Energien. Eine Messung von VMB bei der von der QED vorhergesagten Amplitude oder bei genau bestimmten oberen Grenzwerten würde starke Einschränkungen für die nichtlineare Elektrodynamik nach Born-Infeld und andere Szenarien jenseits des Standardmodells mit sich bringen. Denn diese sagen Brechungsindizes n>1 in einem magnetisierten Vakuum vorher.
Die Physik der magnetischen Doppelbrechung im Vakuum
Die effektive Euler-Heisenberg-Wirkung (formuliert im Jahr 1936) bestimmt die Physik der magnetischen Doppelbrechung im Vakuum. Sie beschreibt die Wechselwirkung zwischen Photonen und virtuellen Elektron-Positron-Paaren in einem externen Magnetfeld. Diese Fluktuationen verleihen dem quantenmechanischen Vakuum einen effektiven Brechungsindex.
Doppelbrechung: Der vorhergesagte Effekt ist extrem klein, in der Größenordnung von 4x10-23 in einem Magnetfeld mit einer Feldstärke von 1 Tesla. Er nimmt quadratisch mit der Feldstärke zu:
Was wir messen: Der im Experiment beobachtbare Größe ist die Elliptizität:
Born-Infeld-Theorie und Physik jenseits des Standardmodells: Die Born-Infeld-Theorie (1934) wurde formuliert, um das Problem unendlicher Selbstenergie zu lösen. In ihrer ursprünglichen Form sagt sie keine Schwankungen des Brechungsindexes vorher. Allerdings gibt es in modernen String- und Brane-Modelle Born-Infeld-ähnliche Strukturen mit n>1 in einem magnetisierten Vakuum. Die Messung von VMB oder die Bestimmung von Obergrenzen nahe der QED-Vorhersage schränkt Born-Infeld-ähnliche Modelle und andere neue Physik ein.
Experimentelle Herausforderungen der Messung
Die Schwierigkeit besteht darin, ein Signal von ψ=10-11 rad in breitbandigem Rauschen nachzuweisen. Wir verwenden hochpräzise Fabry-Pérot-Resonatoren, um die Weglänge zu vergrößern. Das Licht wird dabei effektiv einige tausend Mal hin- und hergespiegelt.
Doppelter experimenteller Ansatz: Wir verfolgen zwei sich ergänzende Strategien für die Suche nach der Doppelbrechung im Vakuum:
- Große Werte von B2L (langsame Modulation): Das ALPS II-Experiment am DESY (212 m, 5.3 Tesla) setzt ein Messprinzip mit Resonatoren ein, das einen außergewöhnlich hohen Richtwert von B2L bei sehr niedrigen Modulationsfrequenzen (~1 mHz) hat.
- Hohe Frequenz (kleinere Werte von B2L): Das polarimetrische Experiment am AEI nutzt schwebend gelagerte Permanentmagnete, die mit bis zu 500 Hz rotieren, und einen Resonator mit hoher Finesse. So erreicht es hohe Modulationsfrequenzen und umgeht das 1/f-Rauschen bei einem kleineren Wert von B2L.
VMB bei astrophysikalischen Objekten
Das Universum stellt mit Magnetaren faszinierende Objekte für die Untersuchung der magnetische Doppelbrechung im Vakuum bereit. Das sind stark magnetisierte, rotierende Neutronensterne mit Feldstärken von bis zu 1011 Tesla. Bei diesen Feldstärken kann die magnetische Doppelbrechung im Vakuum den Strahlungstransport erheblich beeinflussen. Wenn Licht das starke Magnetfeld eines Magnetars durchläuft, hinterlässt das magnetisierte Vakuum charakteristische Fingerabdrücke in der Polarisation der entweichenden Strahlung.
Im Jahr 2016 berichteten Mignani et al. über erste Hinweise auf diesen Effekt. Sie setzten dazu optische Polarimetrie des Magnetars RX J1856.5−3754 ein.
Die Mission IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) beobachtet Röntgenstrahlung von diesen Sternen und hat ebenfalls erste Hinweise auf diesen Effekt gesehen.
Physik über die Quantenelektrodynamik hinaus
Photon-Axion-Mischung: In Experimenten zur magnetischen Doppelbrechung im Vakuum können sich Effekte jenseits der Quantenelektrodynamik als Mischung von Photonen und Axionen zeigen. Wenn das Axion eine von Null verschiedene Masse hat, bewegt es sich langsamer als Licht. Die daraus resultierende Verzögerung zwischen Photonen und Axionen in optischen Resonatoren würde sich als charakteristische Signatur neuer Physik zeigen.
Beobachtung von ultrahochfrequenten Gravitationswellen
Von Gravitonen zu Photonen: Beim inversen Gertsenshtein-Effekt kann sich eine Gravitationswelle, die ein statisches transversales Magnetfeld durchläuft, spontan in ein Photon umwandeln. Die Wechselwirkung ist ein rein geometrischer Effekt: Die Gravitation dehnt und staucht die Raumzeit, wodurch das vorhandene Magnetfeld moduliert und ein oszillierendes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Dies wiederum erzeugt Photonen.
Umwandlungswahrscheinlichkeit: Die Wahrscheinlichkeit, dass Gravitonen durch den inversen Gertsenshtein-Effekt in Photonen umgewandelt werden, hängt von der Magnetfeldstärke (B), der Weglänge des Laserstrahls (L) und der Stärke der Gravitationswellen (h) ab:
Heterodynmischung: Das Signal lässt sich verstärken, indem das winzige, durch die Gravitationswellen hervorgerufene elektromagnetische Feld mit einem lokalen Oszillator interferiert. Durch die Überlagerung mit dem starken, parallel laufenden Strahl des lokalen Oszillators entstehen Schwebungen im optischen Bereich.