来自世界上最大的x射线激光器，欧洲的XFEL的x射线束，只有在完全黑暗和曝光时间为90秒的情况下才能像照片中一样清晰可见。2024年，第一个探测真空中量子涨落的实验将在这里进行。资料来源:欧洲XFEL / Jan Hosan
绝对的空虚——这是我们大多数人对真空的想象。然而，在现实中，它充满了一种能量闪烁:量子涨落。科学家们目前正在准备一项激光实验，旨在以一种新颖的方式验证这些真空波动，这可能为物理学中的新定律提供线索。
来自赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫研究中心(HZDR)的一个研究小组已经提出了一系列建议，旨在帮助更有效地进行实验，从而增加成功的机会。研究小组在科学杂志《物理评论D》上发表了他们的发现。
物理学界早就意识到，真空并非完全是空的，而是充满了真空波动——一种在时间和空间中闪烁的不祥量子。虽然它不能被直接捕获，但它的影响可以被间接观察到，例如，通过微小粒子电磁场的变化。
然而，尚不可能在没有任何粒子存在的情况下验证真空波动。如果这能够实现，物理学的基本理论之一，即量子电动力学(QED)，将在一个迄今未被验证的领域得到证明。然而，如果这样的实验揭示了与理论的偏差，它将表明存在新的、以前未被发现的粒子。
Ulf Zastrau博士是欧洲自由电子实验室高能密度科学实验站的负责人。在HED光束室中，来自世界上最大的x射线激光器的闪光必须满足由HZDR操作的ReLaX高功率激光器的光脉冲，以便检测真空波动。资料来源:欧洲XFEL / Jan Hosan
旨在实现这一目标的实验计划作为亥姆霍兹国际极端场光束线(HIBEF)的一部分，这是一个由HZDR领导的研究联盟，位于汉堡的欧洲XFEL的HED实验站，是世界上最大的x射线激光器。其基本原理是，超强激光向真空的不锈钢腔内发射短暂而强烈的闪光。其目的是操纵真空波动，使它们似乎神奇地改变来自欧洲XFEL的x射线闪光的偏振，即旋转其振荡方向。
“这就像在两个偏振滤光片之间滑动一个透明的塑料尺子，并将其前后弯曲，”HZDR理论学家Ralf sch
tzhold教授解释说。“过滤器最初的设置是为了不让光线穿过它们。弯曲尺子会改变光振荡的方向，这样就能看到一些东西。”在这个类比中，尺子对应于真空波动，而超强激光闪光使它们弯曲。
两次闪光，而不是一次
最初的概念是将一个光学激光闪光射入腔内，并使用专门的测量技术来记录它是否改变了x射线闪光的偏振。但有一个问题:“信号可能非常微弱，”sch
tzhold解释说。“可能只有万亿分之一的x射线光子会改变它的偏振。”
但这可能低于目前的测量极限——这一事件可能会在未被发现的情况下从裂缝中消失。因此，sch
两道闪光都将击中那里并发生碰撞。欧洲XFEL的x射线脉冲被设定为精确地射向它们的碰撞点。决定性因素:碰撞的激光闪光像一种晶体一样影响x射线脉冲。正如x射线在穿过天然晶体时会发生衍射，即发生偏转一样，XFEL x射线脉冲也应该被两个碰撞激光闪光短暂存在的“光晶体”所偏转。
“这不仅会改变x射线脉冲的偏振，同时还会稍微偏转它，”拉尔夫·施
兹霍尔德解释说。研究人员希望，这种结合可以增加实际测量效果的机会。该团队计算了两束激光在腔室中碰撞的不同角度。实验将证明哪种变体是最合适的。
瞄准超轻鬼粒子?
如果射入腔内的两束激光不是相同的颜色，而是两种不同的波长，前景甚至可以进一步改善。这也将允许x射线闪光的能量略有变化，这同样有助于测量效果。sch
tzhold说:“但这在技术上相当具有挑战性，可能要晚些时候才能实现。”
该项目目前在汉堡与HED实验站的欧洲XFEL团队一起处于规划阶段，第一次试验计划于2024年启动。如果成功，他们可以再次确认QED。
但也许实验将揭示与既定理论的偏差。这可能是由于以前未被发现的粒子——例如，被称为轴子的超轻幽灵粒子。“而这，”sch
参考文献:“量子真空衍射和双折射的探测方案”，作者:N. Ahmadiniaz, T. E. Cowan, J. Grenzer, S. Franchino-Vi?as, A. Laso Garcia, M. ?míd, T. Toncian, M. A. Trejo和R. sch
tzhold, 2023年10月10日，物理评论D. DOI: 10.1103/PhysRevD.108.076005
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