Signaturen verborgener Teilchen in starken äußeren Feldern

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Müller
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258838303

Dank der Verfügbarkeit hochintensiver Laserpulse und anderer Quellen starker elektromagnetischer Felder befinden sich neuartige Querverbindungen von Optik und Atomphysik zu anderen Zweigen der modernen Physik aktuell in der Entstehung. Als ein eindrucksvolles Beispiel dafür soll in diesem Projekt untersucht werden, wie polarimetrische und spektroskopische Hochpräzisionstechniken in Verbindung mit den besagten Quellen starker Felder dazu benutzt werden können, die Existenz theoretisch vorhergesagter, aber bislang noch unbeobachteter, sehr schwach wechselwirkender Teilchen mit geringer Masse zu überprüfen. Zu diesen Teilchen gehören die sogenannten Axionen, Paraphotonen und Miniladungen, welche jeweils als Schlüssel zur Lösung fundamentaler offener Fragen der Kern- und Teilchenphysik eingeführt worden sind.Beträchtliche experimentelle Anstrengungen werden heutzutage weltweit in die Suche nach diesen verborgenen Teilchen investiert. Zwar konnte bislang noch keines von ihnen detektiert werden, aber der erlaubte Parameterbereich (etwa hinsichtlich Masse und Ladung der Teilchen) wurde durch die Messungen eingegrenzt. Es ist Aufgabe der Theorie, die experimentelle Suche zu unterstützen durch Entwurf und Analyse neuer Versuchsaufbauten, in denen Signaturen der hypothetischen Teilchen leichter beobachtet werden können. Das vorliegende theoretische Projekt will dazu einen Beitrag leisten, indem es verschiedene denkbare Effekte untersucht, die durch die Existenz der verborgenen leichten Teilchen hervorgerufen werden können. Insbesondere fallen darunter nichtlineare Quantenkorrekturen zur Maxwell-Theorie, welche zu Modifikationen der optischen Eigenschaften des physikalischen Vakuums in einem starken (Laser-)Feld führen. Außerdem sollen winzige Verschiebungen in den elektronischen Energieniveaus berechnet werden, wenn ein Atom einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Rechnungen basieren auf einer Vielzahl theoretischer Methoden, welche u.a. effektive Lagrange-Dichten, Störungstheorie, den Polarisationstensor des Vakuums sowie das optische Theorem umfassen.Das grundsätzliche Ziel des Projekts ist eine signifikante Verbesserung der erreichbaren oberen Schranken für die Parameter der verborgenen Teilchen im Vergleich zu den schärfsten Grenzen, die aus den heutigen Laborexperimenten resultieren. Auf diese Weise wird das Potential für die zukünftige Entdeckung (oder den Ausschluss) neuer fundamentaler Teilchen durch entsprechende experimentelle Suchen deutlich erhöht. Nichtlineare Optik und Atomphysik in starken äußeren Feldern bilden somit eine komplementäre niederenergetische Herangehensweise zur Entschlüsselung der elementaren Materiebausteine unseres Universums.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen