Onderzoekers stellen superradiantiemethode voor om Unruh-effect experimenteel te bewijzen

Een internationaal onderzoekssamenwerkingsverband heeft een nieuw experimenteel plan gepresenteerd dat is ontworpen om het theoretisch voorspelde Unruh-effect empirisch te verifiëren. Dit voorstel, gedetailleerd in een document uit 2025, richt zich op het benutten van het fenomeen superradiantie binnen nauwkeurig geconstrueerde optische Fabry-Pérot-holtes. De waarneming van het Unruh-effect vormt al lange tijd een fundamentele uitdaging in de natuurkunde. Het effect beschrijft hoe een waarnemer die versnelt het kwantumvacuüm waarneemt als een thermisch bad.

Het Unruh-effect, voor het eerst voorspeld door William Unruh in 1976, is een bekende, maar tot op heden onbevestigde, theoretische voorspelling binnen de kwantumveldentheorie en de algemene relativiteitstheorie. De kernmoeilijkheid bij de observatie lag historisch gezien in de vereiste versnellingen. Deze moesten vergelijkbaar zijn met de versnellingen nabij de waarnemingshorizon van een stellair zwart gat, een drempel die voorheen als onbereikbaar werd beschouwd voor experimenten in een aardse omgeving.

De voorgestelde methodologie omzeilt deze observatiebarrière door gebruik te maken van superradiantie. Dit proces, waarvan Robert Dicke de eerste voorspelling deed in de jaren vijftig, behelst dat dicht op elkaar geplaatste atomen gezamenlijk een intense, gesynchroniseerde lichtflits uitzenden. De cruciale innovatie ligt in het gebruik van de precieze timing van deze superradiante flits als een meetbare handtekening. Onderzoekers verwachten dat wanneer atomen worden blootgesteld aan de zwakke thermische verstoring die door het Unruh-effect wordt geïnduceerd, de emissie van de flits iets eerder zal plaatsvinden. Deze minimale tijdsverschuiving dient als een duidelijk merkteken dat, naar de overtuiging van de onderzoekers, het gewenste Unruh-signaal effectief kan scheiden van storende achtergrondruis.

Hoofdonderzoeker Akhil Deswal van het Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Mohali, samen met Navdeep Arya van Stockholm University, Kinjalk Lochan en Sandeep K. Goyal, hebben hun protocol gepubliceerd in het vooraanstaande tijdschrift Physical Review Letters. De experimentele architectuur vertrouwt op Fabry-Pérot optische holtes. Deze maken gebruik van twee sterk reflecterende, parallelle spiegels om de superradiante emissie te versterken, terwijl tegelijkertijd externe ruisbronnen krachtig worden onderdrukt. Deze opstelling is essentieel voor het detecteren van de subtiele effecten die William Unruh in 1976 formuleerde, waarbij versnelling werd gekoppeld aan de waargenomen temperatuur.

Dit werk markeert een aanzienlijke afwijking van eerdere theoretische beperkingen, aangezien de vereiste versnellingsgrootte ordes van grootte lager is dan wat voorheen nodig werd geacht om een meetbaar signaal te verkrijgen. Bevestiging van het Unruh-effect in een gecontroleerde laboratoriumomgeving zou een venster op aarde bieden naar fenomenen die voorheen beperkt waren tot extreme kosmologische omgevingen. Dit zou een brug slaan tussen de kwantummechanica, de thermodynamica en de algemene relativiteitstheorie. De mogelijkheid om het Unruh-effect, dat stelt dat de definitie van het kwantumvacuüm pad-afhankelijk is, experimenteel te valideren, zou een kerntenet van de moderne fysica met betrekking tot niet-inertiële stelsels bevestigen. Het team concludeert dat de waarneming van dit temporele merkteken de weg opent naar het bestuderen van door zwaartekracht beïnvloede kwantumfenomenen onder controleerbare, niet-kosmologische omstandigheden.