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Quantenverwandlung : Es werde das Licht zur Materie

  • -Aktualisiert am

Einstein schreibt seine Feldgleichungen an die Tafel. Bild: AP

Ein Kollisionsexperiment mit energiereichen Photonen soll erstmals Materieteilchen erzeugen können. Ein Vorschlag für ein höchst ambitioniertes Unternehmen.

          3 Min.

          E = M · c(exp)2 -  nach Albert Einsteins berühmtester Formel sind Masse (M) und Energie (E) äquivalent. Die Umwandlung von „massiver“ Materie in energiehaltiges, aber masseloses Licht ist jedoch nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Bringt man gleiche Mengen von Materie und Antimaterie zusammen, so können diese sich restlos in Gammastrahlung umwandeln, eine besonders energiereiche Form des Lichts. Der umgekehrte Prozess allerdings, bei dem reines Licht zu Materie wird, ist - obwohl schon vor achtzig Jahren vorhergesagt - bisher noch nicht beobachtet worden. Britische und deutsche Forscher haben jetzt berechnet, dass diese Umwandlung mit vorhandenen Techniken mit einem Teilchenbeschleuniger gelingen sollte.

          John Wheelers kollidierende Photonen

          Die Wissenschaftler um Oliver Pike vom Imperial College in London und Felix Mackenroth vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg wollen Licht in Materie verwandeln, indem sie die Lichtquanten oder Photonen paarweise miteinander zusammenstoßen lassen. Schon 1934 hatten die amerikanischen Physiker Gregory Breit und John Wheeler berechnet, dass bei der Kollision zweier Photonen ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, entstehen können. Damit es zu dieser „Paarerzeugung“ kommt, muss die Gesamtenergie der beiden miteinander kollidierenden Photonen mindestens doppelt so groß sein wie die Energie, die einer Elektronenmasse entspricht. Bei den Photonen müsste es sich deshalb um energiereiche Gammaquanten handeln.

          Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass zwei Lichtteilchen kollidieren und zu reiner Materie werden, ist indes äußerst gering. Deshalb bezweifelten Breit und Wheeler - von Letzterem stammt übrigens der Begriff „Schwarzes Loch“ -, dass man diesen Effekt jemals im Labor würde beobachten können. In der Nähe von aktiven Galaxienkernen, sogenannten Quasaren, und anderen extrem intensiv strahlenden Objekten im Universum kommt es jedoch zu zahllosen Photonenkollisionen. Deshalb spielt hier der Breit-Wheeler-Prozess eine wichtige Rolle, wenn sich die ausgesandte Gammastrahlung in Teilchenstrahlen umwandelt, die aus Elektronen und Positronen bestehen.

          Die zündende Idee mit den  Gammaquanten

          Die britisch-deutsche Forschergruppe will den Breit-Wheeler-Effekt nun in einem Kollisionsexperiment, wie man es üblicherweise mit Teilchenbeschleunigern ausführt, zum Leben erwecken, wie sie in der Zeitschrift „Nature Photonics“ berichtet. Voraussetzung dafür sind Gammaquanten in großer Zahl. Sie sollen dadurch produziert werden, dass man einen gepulsten Elektronenstrahl, der pro Puls eine große Zahl - etwa eine Milliarde - Elektronen enthält, mit hoher Energie auf ein Goldplättchen lenkt. Die auftreffenden Elektronen werden von den Goldatomen abgebremst und geben dabei Gammastrahlung ab. Hier muss man berücksichtigen, dass die Gammaquanten störende Elektron-Positron-Paare erzeugen, die das Experiment verfälschen würden. Diese Teilchen müssen deshalb unbedingt mit einem Magnetfeld abgelenkt und aus der Gammastrahlung herausgefiltert werden.

          Der etwa einen Millimeter dicke, reine Gammastrahl setzt in dem hypothetischen Experiment seinen Weg fort und verläuft schließlich in Längsrichtung durch ein dünnes zylindrisches Metallröhrchen, in dem die Photonen-Photonen-Kollisionen stattfinden sollen. Das Innere des Röhrchens enthält nämlich intensive Röntgenstrahlung, die zum Beispiel durch Aufheizung der Röhrchenwände mit kurzen und intensiven Laserpulsen erzeugt werden könnte. Die hohe Röntgenstrahlungsdichte in diesem Hohlraumresonator führt dazu, dass viele der ankommenden Gammaquanten mit einem Röntgenquant zusammenstoßen. Dabei kommt es - so die Idee - schließlich zur Erzeugung von Materie und Antimaterie. Die Berechnungen der Forscher lassen erwarten, dass pro Gammapuls zwischen 1000 und 100.000 Elektron-Positron-Paare entstehen könnten, die anschließend mit Teilchendetektoren nachgewiesen und gezählt werden können.

          Weiterführende Experimente

          Die Forscher sind zuversichtlich, dass mit diesem Experiment, das nur auf vorhandene Techniken zurückgreift, der Nachweis des Breit-Wheeler-Effekts gelingen wird. Darüber hinaus könnte man auf diese Weise erstmals auch elastische Kollisionen von Photonen untersuchen, bei denen die Lichtquanten unversehrt bleiben und keine Elektron-Positron-Paare entstehen. Die Photonen würden sich dabei wie kollidierende Billardbälle verhalten, die elastisch voneinander abprallen. Elastische Photonenkollisionen beeinflussen unter anderem die Eigenschaften der Elektronen, sind aber noch nie direkt beobachtet worden.

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