Enrico-Fermi-Stipendium für Laura Roberts

Doktorandin am AEI Hannover erhält großzügige finanzielle Unterstützung für eine interdisziplinäre Ausbildung in theoretischer und experimenteller Physik.

Auf den Punkt gebracht

• Stipendium: Laura Roberts, Doktorandin am AEI in Hannover, erhält für zwei Jahre ein Enrico-Fermi-Stipendium in Höhe von insgesamt 200.000 Euro.
• Theorie und Experiment: Das Stipendium dient einer interdisziplinären Ausbildung in theoretischer und experimenteller Physik. Es wird Roberts’ Arbeit unterstützen, die die erste Laborbeobachtung einer 90 Jahre alten theoretischen Vorhersage vorbereitet.
• Neue Physik: Lassen sich der vorhergesagte Effekt messen oder strenge Grenzwerte in dessen Nähe festlegen, so wird dies neue Physik jenseits des Standardmodells einschließlich Dunkler Materie testen.

Eine theoretische Vorhersage aus dem Jahr 1937 – die magnetische Doppelbrechung im Vakuum – experimentell zu überprüfen, steht im Mittelpunkt der Doktorarbeit von Laura Roberts. Diese Vorhersage beschreibt auf Quantenebene, wie Licht unter dem Einfluss eines Magnetfeldes mit einem Vakuum wechselwirkt. Roberts ist Doktorandin in der Abteilung „Präzisionsinterferometrie und fundamentale Wechselwirkungen“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut / AEI) in Hannover und arbeitet derzeit am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.

In den nächsten zwei Jahren wird Roberts’ Doktorarbeit mit einem Enrico-Fermi-Stipendium in Höhe von 200.000 Euro gefördert. Die Mittel können für die Gehälter der Doktorandin, für Reisekosten und als Forschungsmittel für ihre Betreuer eingesetzt werden.

Die magnetische Doppelbrechung im Vakuum im Labor beobachten

„Rund 90 Jahre nach ihrer theoretischen Vorhersage wollen wir die magnetische Doppelbrechung im Vakuum erstmals im Labor beobachten“, sagt Laura Roberts. „Gemeinsam mit Kolleg*innen an der Universität Jena und am DESY werden wir den Weg für ein Großexperiment im Jahr 2028 ebnen. Mit diesem wollen wir die magnetische Doppelbrechung im Vakuum messen und neue Physik jenseits des Standardmodells testen.“

Die magnetische Doppelbrechung im Vakuum ist ein extrem kleiner Effekt, der sich aus der Quantenelektrodynamik ergibt. Diese Theorie beschreibt auf Quantenebene, wie Licht und Materie interagieren. Sie sagt voraus, dass sich das Schwingungsmuster – die Polarisation – von Licht, das durch ein Magnetfeld im Vakuum läuft, leicht drehen sollte. Das liegt daran, dass das Magnetfeld Quantenfluktuationen im Vakuum anregt, die mit dem Licht wechselwirken. Trotz jahrzehntelanger Anstrengungen ließ sich diese Vorhersage bisher noch nie direkt in Experimenten beobachten.

Unter der Leitung von Felix Karbstein an der Universität Jena und Aaron D. Spector am DESY soll die Arbeit der Stipendiatin zwei sich ergänzende Ansätze kombinieren. Zum einen soll eine detaillierte theoretische Beschreibung der bestehenden, einzigartigen Laborinfrastruktur im Zusammenhang mit der magnetischen Doppelbrechung im Vakuum und neuen hypothetischen Teilchen entstehen, zum anderen sollen Erweiterungen und Verbesserungen eines laufenden Pilotexperiments erarbeitet werden.

Magnetische Doppelbrechung im Vakuum bei ALPS II

Das Forschungsteam plant auf Grundlage seiner aktuellen Arbeit an dem erfolgreichen Pilotexperiment, ein sehr starkes Magnetfeld, mehrere Strahlen reinen Laserlichts und optische Resonatoren (Lichtspeicher) einzusetzen, die das Licht viele Male durch das Magnetfeld hin und her reflektieren. All diese Komponenten sind bereits im Experiment „Any Light Particle Search II“ (ALPS II) installiert, das derzeit bei DESY läuft. Sie sind entscheidend für die experimentelle Messung der magnetischen Doppelbrechung im Vakuum.

Derzeit sucht ALPS II nach sogenannten axionähnliche Teilchen, einer neuen Gruppe leichter Teilchen. Diese Teilchen könnten eine Erklärung für Dunkle Materie und andere Phänomene jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik bieten. Das AEI Hannover leistet zentrale Beiträge zum ALPS II-Experiment und ist ein wichtiger Kooperationspartner.

Nach dem letzten wissenschaftlichen Messlauf von ALPS II soll 2028 in der ALPS II-Infrastruktur die Inbetriebnahme eines Großexperiments beginnen. Es soll die magnetische Doppelbrechung im Vakuum  beobachten und messen. Wird der Effekt beobachtet oder lassen sich strenge Grenzwerte dafür festlegen, so testet dies neue Physik jenseits des Standardmodells.

Das Enrico-Fermi-Stipendium

Die John Templeton Foundation finanziert die Enrico-Fermi-Stipendien (EFF), die das Center for SpaceTime and the Quantum verwaltet. Die Stipendien bieten Studierenden eine großzügige finanzielle Unterstützung, um ihren Horizont durch interdisziplinäre Ausbildung in theoretischer und experimenteller Physik zu erweitern. Die Stipendien stehen Studierenden aus aller Welt offen, um eine breite und vielfältige Teilnahme zu ermöglichen.
  
Die EFF sollen der zunehmenden Spezialisierung entgegenwirken, die insbesondere in der Physik zu einer Trennung von theoretischer und experimenteller Ausbildung führt. Inspiriert von Enrico Fermi, der sich in beiden Bereichen auszeichnete, richten sich die Stipendien an hochqualifizierte Doktorand*innen, die sich für grundlegende wissenschaftliche Fragen interessieren und sowohl an theoretischen als auch an experimentellen Aspekten arbeiten möchten.

Jedes Stipendium umfasst Mittel in Höhe von bis zu 105.000 Euro pro Jahr zur Unterstützung der Gehälter der Studierenden, Reisekosten und Forschungsgelder für ihre Betreuer.