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Ultrakalte Atome ahmen die Entstehung von Materie-Antimaterie-Paaren nach
Extrem starke elektrische Felder könnten aus dem Vakuum Paare von Teilchen und Antiteilchen erzeugen. Weil dieser Schwinger-Effekt im Labor kaum direkt beobachtbar ist, hat ein Experiment den Vorgang mit ultrakalten Rubidiumatomen nachgebildet. Dabei ließ sich verfolgen, wie die simulierte Paarbildung von Teilchenmasse und Hintergrundfeld abhängt, ohne echte Antimaterie zu erzeugen.
Hefei (China). Der leere Raum ist nach der Quantentheorie nicht völlig ereignislos. Ein ausreichend starkes elektrisches Feld könnte Energie in ein Elektron und sein positiv geladenes Antiteilchen, das Positron, umwandeln. Dieser als Schwinger-Effekt bekannte Prozess ist zwar theoretisch beschrieben, verlangt aber Feldstärken, die für einen direkten Versuch bislang außer Reichweite liegen.
Als Ausweg bieten sich Quantensimulatoren an, in denen Atome stellvertretend für die Teilchen und Felder einer anderen physikalischen Theorie stehen. So lässt sich die Entstehung von Teilchen aus dem Vakuum modellhaft untersuchen, ohne die extremen Bedingungen selbst herstellen zu müssen. Ausgangspunkt ist ein sogenanntes falsches Vakuum, ein Zustand, der vorübergehend bestehen bleibt, obwohl ein energieärmerer Zustand möglich wäre.
Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) um Prof. Zhen-Sheng Yuan haben nun ein solches System mit ultrakalten Rubidiumatomen untersucht. Dazu nutzten sie eine eindimensionale optische Gitterkette aus Laserlicht und verfolgten mit einem Quantengasmikroskop die Besetzung ihrer einzelnen Plätze.
In der untersuchten Kette befanden sich zehn Rubidiumatome, zunächst jeweils zu zweit auf jedem zweiten Gitterplatz, während die Plätze dazwischen leer blieben. Diese Anordnung entsprach im Modell dem falschen Vakuum. Sobald die Bedingungen verändert wurden, konnte eines der gemeinsam gefangenen Atome zum Nachbarplatz wechseln, was im simulierten Feld als Erzeugung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares erscheint.
Das elektrische Hintergrundfeld und die Teilchenmasse waren dabei einstellbare Größen des theoretischen Modells. Weder entstand eine tatsächlich gewaltige elektrische Feldstärke noch änderte sich die reale Masse der Rubidiumatome. Gerade diese Übertragung machte es möglich, Vorgänge im künstlichen Vakuum zeitlich aufgelöst sichtbar zu machen.
Die Messungen zeigten, dass die Paarbildung bei größerer effektiver Teilchenmasse schwächer ausfiel. Auch das simulierte Hintergrundfeld veränderte den Verlauf, wobei ein im Vergleich zu den übrigen Energien stark dominierendes Feld die Paarbildung wiederum unterdrücken konnte. Die Häufigkeit der Paare hängt demnach vom Zusammenspiel der Modellparameter ab und steigt nicht einfach mit der Feldstärke.
Den Verlauf der Teilchenentstehung verglich das Team außerdem mit numerischen Rechnungen und einem vereinfachten Zwei-Zustands-Modell. Für einen Teil der untersuchten Parameter stimmten Messung und Rechnung gut überein, während bei kleiner Teilchenmasse auch die gegenseitige Auslöschung benachbarter Paare eine Rolle spielte. Das Experiment beobachtet damit die Dynamik eines künstlichen Eichfeldmodells und nicht den ursprünglichen Schwinger-Effekt im realen Vakuum.
Neben der Paarzahl untersuchten die Wissenschaftler die sogenannte Vakuum-Verbleibswahrscheinlichkeit. Sie bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass der anfängliche Quantenzustand nach einer bestimmten Zeit noch erhalten ist. In den Daten änderte sich diese Größe in engem Zusammenhang mit der Paarbildung, wodurch sich der Zerfall des Modellvakuums auch unabhängig von der direkten Zählung der Paare verfolgen ließ.
Bei verschwindender effektiver Teilchenmasse zeigten Teilchendichte und Feld über längere Zeit Schwingungen. Im Spektrum dieser Bewegungen erschienen Anregungen, die an die massiven bosonischen Moden des Schwinger-Modells erinnern und sich als Umkehr der simulierten Feldstruktur deuten lassen. Solche Übereinstimmungen eröffnen die Möglichkeit, zeitliche Abläufe in komplexen Quantenfeldmodellen gezielter z