కాంతి కాంతికి తగిలి మళ్లగలదా?

రెండు టార్చిలైట్లను వాటి కిరణాలు ఒకదానికొకటి అడ్డంగా వెళ్లేలా వెలిగించండి: ప్రతి కిరణం మరొకటి అక్కడ లేనట్లే ముందుకు సాగుతుంది. ఇదే అధ్యారోపణ సూత్రం (superposition principle), దృశాశాస్త్రానికి (optics) గుండెకాయ వంటిది. విద్యుదయస్కాంతత్వ సమీకరణాలు రేఖీయమైనవి (linear) కాబట్టి ఇది నిలుస్తుంది, ఇది రోజువారీ అనుభవానికి కూడా సరిపోలుతుంది.

1930లలో ఆయిలర్ (Euler), హైసెన్‌బర్గ్ (Heisenberg), కాకెల్ (Kockel) చేసిన పరిశోధన నుంచి, ఈ సూత్రం పూర్తిగా ఖచ్చితమైనది కాదని భౌతిక శాస్త్రవేత్తలకు తెలుసు. క్వాంటం భౌతికశాస్త్రం శూన్యాన్ని క్షణికమైన హెచ్చుతగ్గులతో (fluctuations) నింపుతుంది — క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్‌లో (quantum electrodynamics), ఎలక్ట్రాన్లు, పాజిట్రాన్ల మిథ్యా జతలతో (virtual pairs). వాటి ద్వారా, కాంతి కాంతిని అనుభూతి చెందగలదు. దీని నుంచి రెండు పరిణామాలు వస్తాయి: కాంతి-కాంతి పరిక్షేపణం (light-by-light scattering), ఇందులో ఒక కిరణం మరో కిరణపు ఫోటాన్లను పక్కకు మళ్లిస్తుంది; శూన్య ద్వివక్రీభవనం (vacuum birefringence), ఇందులో బలమైన క్షేత్రం గుండా వెళ్లే కాంతి ధ్రువణాన్ని (polarization) శూన్యం మారుస్తుంది. తక్కువ శక్తి వద్ద — ఫోటాన్లు ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యరాశి కంటే చాలా తక్కువ శక్తిని మోసే చోట — ఈ రెండింటిలో ఏదీ ఇంకా ప్రయోగాత్మకంగా ధృవీకరించబడలేదు.

తీవ్రమైన లేజర్‌కు ఎదురుగా ఎక్స్-రేలు

BIREF@HIBEF సహకార బృందం (collaboration) — హెల్మ్‌హోల్ట్జ్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ యెనా (Helmholtz Institute Jena), హెల్మ్‌హోల్ట్జ్-జెంట్రమ్ డ్రెస్డెన్-రోసెన్‌డార్ఫ్ (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) బృందాలతో సహా దాదాపు 80 మంది పరిశోధకులు — జర్మనీలోని షెనెఫెల్డ్‌లో (Schenefeld) ఉన్న యూరోపియన్ ఎక్స్-రే ఫ్రీ-ఎలక్ట్రాన్ లేజర్ (European X-Ray Free-Electron Laser) వద్ద ఈ ఢీకొనడాన్ని ఏర్పాటు చేసింది:

• పంప్ (pump): ReLaX లేజర్, 4 జూల్‌లను మోసుకెళ్లే 23 ఫెమ్టోసెకన్ల సమీప-పరారుణ (near-infrared) పల్స్‌లు, దాదాపు 1.1 మైక్రోమీటర్లు, 1.4 మైక్రోమీటర్ల కొలతలున్న ఒక చుక్కపై కేంద్రీకరించబడి, చదరపు సెంటీమీటర్‌కు 7.7 × 10²¹ వాట్‌లను చేరుకుంటాయి;
• ప్రోబ్ (probe): 8.766 keV ఎక్స్-రే పల్స్‌లు, ఒక్కొక్క దానిలో దాదాపు 100 బిలియన్ ఫోటాన్లు, పంప్‌లోకి ఎదురెదురుగా ప్రయోగించబడతాయి.

పంప్ యొక్క తీవ్రమైన క్షేత్రం శూన్యాన్ని కొద్దిగా ధ్రువీకరించాలి (polarize), కొన్ని ఎక్స్-రే ఫోటాన్లు తమ ధ్రువణం తిరగబడి బయటకు రావాలి. ఆదర్శ పరిస్థితుల్లో కూడా, అది దాదాపు 10¹³లో ఒక ఫోటాన్ — ఆ ఫోటాన్లు మిగతా 100 బిలియన్ ఫోటాన్ల దిశలోనే ప్రయాణిస్తాయి.

డార్క్-ఫీల్డ్ (dark-field) ఏర్పాటు: ఒక తీగ ఎక్స్-రే కిరణంలో నీడను వేస్తుంది, ఢీకొనే చోట సృష్టించబడిన క్వాంటం శూన్య సంకేతం ద్వారం గుండా వెళ్తుంది, ఒక కిరణ విభాజకం దాని రెండు ధ్రువణాలను వేరు చేస్తుంది. — చిత్రం 1, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

కిరణాన్ని నీడలో దాచడం

ఉపాయం ఒక డార్క్ ఫీల్డ్ (dark field). 250 మైక్రోమీటర్ల మందమున్న, మెరుగుపెట్టిన ఒక టంగ్‌స్టన్ తీగను, ఎక్స్-రే కిరణం కేంద్రీకరించబడక ముందే దానిలో ఉంచుతారు. అది ఒక నీడను వేస్తుంది. కేంద్రబిందువు (focus) వద్ద నీడ మాయమవుతుంది; దాని తర్వాత నీడ మళ్లీ కనిపిస్తుంది — కానీ ఢీకొనడం వల్ల సృష్టించబడిన సంకేతం దానిలోకి వ్యాపిస్తుంది. తర్వాత 40 మైక్రోమీటర్ల ఒక ద్వారం (aperture) ప్రధాన కిరణాన్ని అడ్డుకుని, నీడ ప్రాంతాన్ని లోపలికి వెళ్లనిస్తుంది, ఒక జెర్మేనియం స్ఫటికం రెండు ధ్రువణాలను ఫోటాన్లను లెక్కించే రెండు డిటెక్టర్లపైకి విడదీస్తుంది. ప్రధాన కిరణంలోని ఒక ట్రిలియన్‌కు దాదాపు 4 ఎక్స్-రే ఫోటాన్లు మాత్రమే తిరగబడిన-ధ్రువణ ఛానల్‌లోకి కారాయి.

పంప్ 0.5 హెర్ట్జ్ వద్ద, ప్రోబ్ 10 హెర్ట్జ్ వద్ద పల్స్‌లను ప్రయోగిస్తాయి, కాబట్టి ప్రతి ఢీకొనడంతో పాటు పంప్ లేని 19 సూచన షాట్‌లు (reference shots) వస్తాయి. 2,751 ఢీకొనడాలు, 52,441 సూచన షాట్‌లలో, తిరగబడిన ఛానల్ పంప్‌తో ఒక్కో షాట్‌కు 0.4649 ఫోటాన్, పంప్ లేకుండా 0.4636 లెక్కించింది: తేడా ఏమీ లేదు. నేపథ్యాన్ని (background) తీసివేసిన తర్వాత, అదనం ఒక్కో షాట్‌కు −0.0024 ఫోటాన్, సున్నాకు అనుగుణంగా.

పది బిలియన్ రెట్లు ఎక్కువ అర్థవంతమైన ఒక నిశ్శబ్దం

నిశ్శబ్దానికి అర్థం ఏమిటో తెలుసుకోవడానికి, బృందం మొత్తం ప్రయోగాన్ని కిరణం వారీగా, కటకం వారీగా అనుకరించింది, ప్రతి షాట్ యొక్క కొలిచిన తప్పు అమరికతో (misalignment) సహా. మొత్తం ప్రయోగ కార్యక్రమానికి (campaign) తిరగబడిన ఛానల్‌లో మొత్తం కేవలం 0.0008 ఫోటాన్ వస్తుందని క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ అంచనా వేస్తుంది: ఈ ప్రయోగం గుర్తించగలిగే దానికంటే చాలా తక్కువ.

ఫలితం ఒక ఎగువ పరిమితి (upper limit). 95% విశ్వాసంతో, 116 ఎలక్ట్రాన్‌వోల్ట్‌ల ఢీకొనే శక్తి వద్ద, కాంతి-కాంతి పరిక్షేపణం క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ అంచనా వేసిన విలువకు గరిష్ఠంగా 70,000 రెట్లు ఉంటుంది. 2,751 ఢీకొనడాల్లో 56 కంటే ఎక్కువ ఫోటాన్ల సంకేతం ఉండి ఉంటే అది ప్రత్యేకంగా కనిపించేది. తక్కువ శక్తి వద్ద జరిగిన ఇంతకు ముందరి ప్రయోగాలు దాదాపు పది బిలియన్ రెట్లు బలహీనమైన పరిమితులను మాత్రమే చేరుకున్నాయి.

కాంతి-కాంతి పరిక్షేపణంపై ఎగువ పరిమితులు, క్వాంటం అంచనాతో పోల్చి (1 వద్ద ఎరుపు గీతల రేఖ): 70,000 వద్ద ఈ ప్రయోగం, తక్కువ శక్తి వద్ద జరిగిన ఇంతకు ముందరి ప్రయోగాలతో పోలిస్తే. — చిత్రం 4, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

అంతరాన్ని తగ్గించడం

రచయితల ప్రకారం, 70,000 అంతరం అందుబాటులో లేనిది కాదు. ReLaXను దాని ప్రచురిత 8 జూల్‌లు, 1 హెర్ట్జ్ వద్ద నడిపితే అదే సమయంలో 8 రెట్లు ఎక్కువ సంకేతం వస్తుంది; ప్రస్తుత సదుపాయపు పరిమితుల నుంచి విముక్తమైన ఒక డార్క్-ఫీల్డ్ జ్యామితి నేపథ్య తిరస్కరణను (background rejection) వెయ్యి రెట్లకు పైగా మెరుగుపరుస్తుంది; వేగవంతమైన డిటెక్టర్లు మరో పది రెట్లు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ లాభాన్ని ఇస్తాయి. ఈ మెరుగుదలలు కలిసి, కాంతి కాంతి నుంచి పరిక్షేపణం చెందడాన్ని ప్రయోగశాలలో మొదటిసారి నేరుగా గమనించడానికి వీలు కల్పించాలి — ఆపై క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ శూన్యం ప్రతిస్పందనకు కేటాయించే a, b అనే రెండు సంఖ్యలను కొలవడానికి.