Elementarteilchen in einem System, das ausschließlich auf Licht basiert

Elementarteilchen in einem System, das ausschließlich auf Licht basiert

Physik-News vom 01.12.2022
 

Forschende kommen den Geheimnissen von roten, grünen und blauen Quarks-Teilchen auf die Schliche. Es ist gelungen, in einem unscheinbaren Stück Glas einen Schaltkreis für Licht entstehen zu lassen. Damit konnten Forschenden grundlegende Eigenschaften aus der Welt der Elementarteilchen in einem System, das ausschließlich auf Licht basiert, nachbilden.

Um zu erkunden, was die Welt im Innersten zusammenhält, fahren Physikerinnen und Physiker üblicherweise große Geschütze auf: Kilometerlange unterirdische Beschleunigerringe lassen winzige Teilchen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen, wobei unvorstellbar große Energiemengen freigesetzt werden. Aus den Überresten dieser Kollisionen versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Erkenntnisse über die fundamentalen Kräfte unseres Universums zu erlangen.


Die so genannte Farbladung der Quarks: rot, grün und blau.

Publikation:


Neef, V., Pinske, J., Klauck, F. et al.
Three-dimensional non-Abelian quantum holonomy
Nat. Phys. (2022)

DOI: 10.1038/s41567-022-01807-5



Seit den 1970er Jahren wurde auf diese Weise nach und nach ein regelrechter Teilchenzoo von Elementarteilchen untersucht. Darin finden sich unter anderem so genannte Quarks-Teilchen – dabei handelt es sich um Bausteine von Protonen und Neutronen, die wiederum für den Aufbau von Atomen essentiell sind. Quarks unterscheiden sich von anderen Teilchen durch ihre seltsamen Eigenschaften, die gänzlich eigenen Gesetzmäßigkeiten unterliegen und in keiner anderen Form von Materie wieder zu finden sind.


Photonischer Schaltkreis in einem Glas-Chip.

Denn während es nur eine Art von elektrischer Ladung gibt, die sich abhängig von ihren Vorzeichen anziehen oder abstoßen, funktioniert die Welt der Quarks völlig anders, wie Professor Stefan Scheel, Gruppenleiter der Arbeitsgruppe Quantenoptik makroskopischer Systeme der Universität Rostock, zu berichten weiß: „Das Ungewöhnliche an Quarks ist, dass sie neben der elektrischen Ladung auch eine so genannte Farbladung besitzen, von der es nicht nur eine, sondern gleich drei Sorten gibt: rot, grün und blau.“



Licht und ein unscheinbares Stück Glas

Genau diese Farbladung ist es, die eine direkte Beobachtung von Quarks in ihrem natürlichen Umfeld so schwierig macht. Dem Rostocker Team am Institut für Physik ist es nun gelungen, die grundlegenden Symmetrieeigenschaften der Quarks mit Hilfe von Licht nachzubilden. Professor Alexander Szameit, Gruppenleiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Festkörperoptik der Universität Rostock, erklärt den experimentellen Ansatz: „Wir nutzen ultraintensive Laser, um in einem unscheinbaren Stück Glas einen Schaltkreis für Licht entstehen zu lassen. In einem solchen so genannten photonischen Chip lassen sich dann hochkomplexe Phänomene modellieren, beispielsweise die Farbladung von Quarks.“



Von ihrer weltweit ersten experimentellen Realisierung eines solchen Effekts erhoffen sich die Forschenden tiefere Einblicke in die faszinierende Welt der roten, grünen und blauen Quarks-Teilchen. Jenseits der Grundlagenforschung versprechen die so gewonnenen Erkenntnisse wesentliche Verbesserungen im Bereich der Quantentechnologien, insbesondere bei einer neuen Generation von Quantencomputern, die weitaus stabiler laufen als ihre Vorgänger.



Diese Newsmeldung wurde mit Material der Universität Rostock via Informationsdienst Wissenschaft erstellt


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