Physiker in Italien haben erstmals ein Phänomen beobachtet, das als falscher Vakuumzerfall bekannt ist. Die Arbeit, die in einem ferromagnetischen Superfluid durchgeführt wurde, erweitert unser Verständnis der ferromagnetischen Phasenübergänge und könnte mehr Licht auf die Stabilität des frühen Universums werfen.
Einige Arten von Quantensystemen verfügen über metastabile (falsche) Vakuumzustände sowie einen absoluten (wahren) Grundvakuumzustand. Diese Zustände stellen unterschiedliche Konfigurationen eines Quantenfeldes dar, und das Feld kann vom falschen Vakuumzustand in den wahren Zustand übergehen. Wenn dies geschieht, bilden sich lokalisierte makroskopische Bereiche echten Vakuums – Blasen – umgeben von Flecken falschen Vakuums.
„Ein solcher Mechanismus wurde ursprünglich im Kontext der Kosmologie diskutiert, um die Stabilität unseres Universums zu untersuchen, das in einer stabilen oder metastabilen Konfiguration vorliegen kann“, erklärt Gabriele Ferrari, ein Physiker an der Universität von Trento, Italien, der die Studie gemeinsam mit leitete Giacomo Lamporesi, Alessio Recati und Alessandro Zenesini dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Pitaevskii BEC Center, CNR-INO in Trient, Italien. „Tatsächlich wird angenommen, dass der Vakuumzerfall eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Raum, Zeit und Materie im Urknall spielt.“
Spontan erzeugte Blasen
In der neuen Arbeit ist die Pitaevskii BEC Center Das Team nutzte Natriumatome mit einem ferromagnetischen Grundzustand, um den falschen Vakuumzerfall in einem Vielteilchen-Quantensystem zu untersuchen. Das Team bereitete dieses System vor, indem es die Atome in einer optischen Falle einsperrte und sie auf weniger als ein Mikrokelvin über dem absoluten Nullpunkt abkühlte, wo sie ein ferromagnetisches Superfluid bildeten.
„Wir haben das System in einem metastabilen Zustand vorbereitet, in dem das Suprafluid in Bezug auf das angelegte Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung polarisiert ist“, erklärt Lamporesi. „Nach einiger Zeit sahen wir, dass das System spontan Blasen in makroskopischen Bereichen erzeugte, die mit dem Magnetfeld ausgerichtet waren.“
Zusammenarbeit mit Theoretikern am Universität Newcastle, GroßbritannienDas Team zeigte außerdem, dass diese Blasen, in Recatis Worten, „der erste experimentelle Beweis für den Mechanismus des falschen Vakuumzerfalls in einem makroskopischen Quantenfeld“ waren.
Anschließend maßen die Forscher den Zusammenhang zwischen der durchschnittlichen Zerfallszeit der Blasen und experimentell einstellbaren Parametern wie der Energiedifferenz zwischen echten und falschen Vakuumzuständen (die sich aufgrund des Zeeman-Effekts mit dem angelegten Magnetfeld ändert). Sie fanden heraus, dass kleine Variationen zu großen Änderungen in der Abklingzeit führen. „Unsere Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Vorhersagen eines feldtheoretischen Tunnelmodells (Instanton) und bestätigen damit den falschen Ursprung des Vakuumzerfalls in unserem System“, sagt Lamporesi Physik-Welt.
Eine technische Errungenschaft
Die Ergebnisse dieser Experimente sind in beschrieben Naturphysik, und Lamporesi betont, dass es eine technische Herausforderung war, sie zu erhalten. Unter anderem muss das äußere Magnetfeld extrem stabil sein, um die Spinkohärenz des supraflüssigen Systems aufrechtzuerhalten. Um die erforderliche Stabilität zu erreichen, musste das Team eine magnetische Abschirmung um das ultrakalte Atomgas installieren – eine knifflige Aufgabe, da sie mit Laserstrahlen auf das System zugreifen mussten, um die Atome zu manipulieren.
Durch das Universum
Während die Forscher analysiert haben, wie lange es dauert, bis sich Blasen bilden, ist dies nur der erste Schritt. Sie planen nun, die Blasendynamik in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen, um die Natur des Blasenwachstums zu verstehen.
„Ein weiterer wichtiger Schritt wird darin bestehen, die effektive Dimensionalität des Systems von quasi eindimensional, wie in der vorliegenden Studie, wo die theoretische Analyse einfacher ist, auf zweidimensional zu erhöhen, wo interessante Phänomene wie Blasenkollisionen und -verschmelzungen auftreten.“ “, sagt Zenesini. „Viele Merkmale der Blasenkeimbildung und -dynamik wurden theoretisch im Kontext der Kosmologie untersucht, wo Experimente noch nicht zugänglich sind. Sie sind jedoch auch für die Gemeinschaft der kondensierten Materie von großer Relevanz, da sie mit der quantenferromagnetischen Dynamik verbunden sind, die experimentell beobachtet werden kann – wie wir in unserer Arbeit gezeigt haben.“
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/physicists-observe-false-vacuum-decay-in-a-ferromagnetic-superfluid/
