Физическому миру давно известно, что вакуум - это не совсем пустота, а заполнен вакуумными флуктуациями - зловещим квантовым мерцанием во времени и пространстве. Хотя он не может быть зафиксирован непосредственно, его влияние можно наблюдать косвенно, например, через изменения в электромагнитных полях крошечных частиц.

Однако пока не удалось проверить флуктуации вакуума без присутствия каких-либо частиц. Если бы это могло быть достигнуто, одна из фундаментальных теорий физики, а именно квантовая электродинамика (КЭД), была бы доказана в доселе непроверенной области. Однако, если бы такой эксперимент выявил отклонения от теории, это позволило бы предположить существование новых, ранее неоткрытых частиц.

Эксперимент, направленный на достижение этой цели, запланирован в рамках Международной лучевой линии Гельмгольца для экстремальных полей (HIBEF), исследовательского консорциума, возглавляемого HZDR на экспериментальной станции HED европейского XFEL в Гамбурге, крупнейшего рентгеновского лазера в мире. Основной принцип заключается в том, что сверхмощный лазер испускает короткие интенсивные вспышки света в вакуумированную камеру из нержавеющей стали. Цель состоит в том, чтобы манипулировать вакуумными флуктуациями таким образом, чтобы они, казалось бы, волшебным образом изменяли поляризацию рентгеновской вспышки от европейского XFEL, то есть меняли направление ее колебаний.

"Это все равно, что просунуть прозрачную пластиковую линейку между двумя поляризационными фильтрами и сгибать ее взад и вперед", - объясняет теоретик HZDR проф. Ральф Шютцхольд. "Фильтры изначально настроены таким образом, что через них не проходит свет. Сгибание линейки теперь изменило бы направление колебаний света таким образом, что в результате можно было бы что-то увидеть". В этой аналогии линейка соответствует колебаниям вакуума, в то время как сверхмощная лазерная вспышка изгибает их.

Две вспышки вместо одной

Первоначальная концепция включала в себя подачу в камеру всего одной оптической лазерной вспышки и использование специализированных методов измерения для регистрации того, изменяет ли это поляризацию рентгеновской вспышки. Но есть проблема: "Сигнал, скорее всего, будет чрезвычайно слабым", - объясняет Шютцхольд. "Возможно, что только один из триллиона рентгеновских фотонов изменит свою поляризацию".

Но это может быть ниже текущего предела измерения - событие может просто провалиться незамеченным. Поэтому Шютцхольд и его команда полагаются на вариант: вместо одного они намерены одновременно направить в вакуумированную камеру два оптических лазерных импульса.

Обе вспышки ударят туда и буквально столкнутся. Рентгеновский импульс европейского XFEL настроен на попадание точно в точку их столкновения. Решающий фактор: сталкивающиеся лазерные вспышки воздействуют на рентгеновский импульс подобно кристаллу. Точно так же, как рентгеновские лучи дифрагируются, то есть отклоняются, при прохождении через природный кристалл, рентгеновский импульс XFEL также должен отклоняться кратковременным "световым кристаллом" двух сталкивающихся лазерных вспышек.

"Это позволило бы не только изменить поляризацию рентгеновского импульса, но и одновременно слегка отклонить его", - объясняет Ральф Шютцхольд. Эта комбинация могла бы увеличить шансы на то, что мы действительно сможем измерить эффект - так надеются исследователи. Команда рассчитала различные варианты угла попадания двух лазерных вспышек, сталкивающихся в камере. Эксперименты покажут, какой вариант окажется наиболее подходящим.

Нацеливание на сверхлегкие призрачные частицы?

Перспективы могли бы быть еще более улучшены, если бы две лазерные вспышки, выпущенные в камеру, были не одного цвета, а двух разных длин волн. Это также позволило бы незначительно изменить энергию рентгеновской вспышки, что также помогло бы измерить эффект. "Но технически это довольно сложно и может быть реализовано только позже", - говорит Шютцхольд.

В настоящее время проект находится на стадии планирования в Гамбурге совместно с европейской командой XFEL на экспериментальной станции HED, и первые испытания планируется начать в 2024 году. В случае успеха они могли бы подтвердить QED еще раз.

Но, возможно, эксперименты выявят отклонения от устоявшейся теории. Это может быть связано с ранее не обнаруженными частицами - например, сверхлегкими частицами-призраками, известными как аксионы. "И это, - говорит Шютцхольд, - было бы четким указанием на дополнительные, ранее неизвестные законы природы".