Un equipo de investigación pudo generar rayos X polarizados con una pureza sin precedentes en el XFEL europeo en Hamburgo. Los experimentos involucraron a científicos del Instituto Helmholtz de Jena, una rama de GSI, la Universidad Friedrich Schiller de Jena y el Centro Helmholtz de Dresden-Rossendorf. Se supone que el método se utilizará en los próximos años para demostrar que incluso el vacío se comporta como un material en determinadas circunstancias, una predicción de la electrodinámica cuántica.

La polarización de la radiación electromagnética describe en qué plano del espacio oscila una onda. Mientras que la radiación electromagnética cotidiana, como la luz solar, no está polarizada, los láseres producen radiación polarizada. Este es un requisito importante para una amplia gama de experimentos, desde la física del estado sólido hasta la óptica cuántica.

Los polarizadores adicionales, como los que se están desarrollando en el Instituto Helmholtz en Jena, tienen el propósito de mejorar aún más la pureza de la polarización, pero durante mucho tiempo el límite de unos pocos 10 ^-10 no se podía empujar más. En 2018, Kai Schulze, primer autor del artículo ahora publicado en Physical Review Research , encontró que la divergencia de la radiación de sincrotrón es la razón de este límite. "Entonces, para obtener una mejora adicional en la pureza, necesitábamos una fuente con una mejor divergencia", dice el físico, que dirige el trabajo sobre birrefringencia al vacío en HI Jena y es co-responsable de los proyectos de investigación relacionados con DFG en la Universidad de Jena. "La puesta en servicio del láser de rayos X europeo, European XFEL, en Schenefeld, cerca de Hamburgo, marcó el rumbo para esto".

Junto con científicos de la Universidad Friedrich Schiller de Jena y el Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf, Schulze y su equipo desarrollaron una configuración experimental en el XFEL europeo que estableció un nuevo récord de pureza de 8×10 ^-11 gracias a cristales polarizadores especiales, una alineación muy precisa y una configuración estable. Este nuevo récord de pureza ya ha permitido una serie de experimentos sobre óptica cuántica en el rango de rayos X y sobre la distribución de carga en sólidos. No obstante, se dedica especial interés a la detección de la denominada birrefringencia de vacío.

La interacción de la luz con la luz fue descrita ya en 1936 por Werner Heisenberg y Hans Euler, pero aún no se ha observado directamente en la Tierra. "La birrefringencia al vacío es actualmente el efecto más prometedor para detectar directamente la interacción luz-luz", explica Schulze. "En este proceso, la polarización de un haz de muestra cambia cuando choca en el vacío con un segundo haz de luz muy intenso. El vacío actúa como un cristal birrefringente, que también afecta a la polarización; de ahí el nombre. El efecto es extremadamente pequeño, pero crece con la disminución de la longitud de onda del haz de muestra. Por lo tanto, los polarizadores precisos en el rango de rayos X proporcionan una buena herramienta para detectar el efecto".

El instrumento de alta densidad de energía en el XFEL europeo proporcionará las condiciones ideales para un experimento de este tipo en el futuro, explica Schulze. Y el equipo de investigación ahora tiene una configuración con la que se pueden medir los cambios de polarización más pequeños. La detección de la birrefringencia del vacío no solo respaldaría aún más los fundamentos de la electrodinámica cuántica, sino que, si surgen desviaciones de las expectativas teóricas, también proporcionaría pistas sobre partículas elementales previamente desconocidas (como axiones o partículas milicargadas). "Esperamos poder lanzar los primeros experimentos en los próximos años".

La detección del fenómeno también sería interesante para futuros experimentos en el centro acelerador de partículas FAIR. "Si logramos medir la birrefringencia del vacío, esto ayudará a interpretar los datos de medición de FAIR. Entre otras cosas, la polarización del vacío desempeñará un papel allí, que está estrechamente relacionado con la birrefringencia del vacío", dijo Schulze. + Explora más

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