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Donnerstag, 29.09.2016
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Experiment erzeugt Materie aus Licht

Eine der grundlegenden Vorhersagen der Quantenelektrodynamik kann nun bewiesen werden

Fundamentale Umwandlung: Physiker haben ein Experiment entwickelt, bei dem aus der Kollision von Photonen ein Elektronen-Positronen-Paar entsteht. Dieser bisher nur theoretisch vorhergesagte Prozess könnte damit erstmals experimentell nachgewiesen werden. Das Überraschende daran: Benötigt werden dafür nur Technologien und Anlagen, die es schon gibt. Die Umsetzung ist daher relativ einfach. Das Rennen um den ersten experimentellen Beweis sei damit eröffnet, so die Forscher im Fachmagazin "Nature Photonics".
Licht aus Materie - Nach der Breit-Wheeler-Theorie entsteht dann ein Elektroen-Positron-Paar.

Licht aus Materie - Nach der Breit-Wheeler-Theorie entsteht dann ein Elektroen-Positron-Paar.

Schon 1943 postulierten die beiden Physiker Gregory Breit und John Wheeler, dass aus Licht Materie entstehen kann: Sie belegten anhand einer Gleichung, dass die Kollision zweier Photonen theoretisch ausreicht, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen – und damit Materieteilchen. Diese Breit-Wheeler-Theorie gehört heute zu den sieben grundlegenden theoretischen Vorhersagen der Quantenelektrodynamik (QED).

Mit Laserlicht…


Allerdings: Experimentell bewiesen werden konnte sie bisher nicht. Die hohen Photonendichten, die dafür nötig wären, haben bisher die Beobachtung dieser Teilchenpaar-Produktion verhindert. "Obwohl alle Physiker Breit und Wheelers Theorie als wahr akzeptierten, erwarteten sie daher nicht, dass es jemals im Labor gezeigt werden könnte", erklären Oliver Pike und seine Kollegen vom Imperial College London. "Aber jetzt, 80 Jahre später, zeigen wir, dass es sehr wohl geht."

Die Physiker haben ein Konzept für ein Experiment entwickelt, das die Erzeugung von Materie aus Licht erstmals praktisch nachweisen kann – und das mit bereits existierender Technologie. Das Ganze funktioniert in zwei Schritten, wie sie erklären. Zunächst muss mit Hilfe von Laserlicht ein extrem energiereicher Elektronenstrahl erzeugt werden. Diese mit knapp unter Lichtgeschwindigkeit fliegenden Elektronen werden auf ein Stück massives Gold geschossen. Dabei entsteht eine Bremsstrahlung in Form von Gammastrahlung, deren Energie eine Milliarde Mal höher liegt als die des sichtbaren Lichts.


Grundlegende Prozesse der Quantenelektrodynamik - nur die Breit-Wheeler-Theorie ist noch nicht experimentell bestätigt.

Grundlegende Prozesse der Quantenelektrodynamik - nur die Breit-Wheeler-Theorie ist noch nicht experimentell bestätigt.

…und Vakuum-Hohlraum


Für den zweiten Schritt des Experiments benötigt man einen sogenannten Vakuum-Hohlraum – eine winzige Aushöhlung in einem weiteren Goldstück. Der Innenraum dieser Goldschale wird durch einen Hochenergie-Laser aufgeheizt, so dass darin ein ebenfalls von Photonen erfülltes Strahlungsfeld entsteht, so die Forscher. In dieses Feld wird nun der energiereiche Photonenstrahl aus dem ersten Schritt gerichtet.

Im Experiment geschieht dadurch genau das, was Breit und Wheeler voraussagten: Die Photonen des Strahls und des Feldes kollidieren und dabei entstehen jeweils Paare von Elektronen und Positronen. Sie können mit Detektoren nachgewiesen werden, wenn sie aus dem Hohlraum austreten. Wie die Forscher errechneten, reicht ein Bremsstrahl von 100 Millionen Photonen aus, um zwischen 100 und 10.000 solcher Teilchenpaare pro Schuss zu erzeugen. Die Ausbeute steige dabei linear mit der Größe des Vakuum-Hohlraums.

Wettlauf eröffnet


Der große Vorteil dieses Experimentkonzepts: Keine der zugrundeliegenden Technologien muss neu erfunden oder entwickelt werden. "Das war das Überraschende für uns: Wir können Materie aus Licht erzeugen, indem wir Technologie nutzen, die wir heute längst haben", sagt Seniorautor Steve Rose. Vakuum-Hohlräume werden bereits in der Fusionsforschung eingesetzt, unter anderem am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Energiereiche Photonenstrahlen lassen sich in speziellen Teilchenbeschleunigern, den Elektronensynchrotronen, erzeugen.

"Das experimentelle Design, dass wir hier vorschlagen, kann daher relativ leicht und mit bestehenden Mitteln umgesetzt werden", so Pike. "Das Rennen darum, dieses Experiment erstmals durchzuführen, ist hiermit eröffnet!" (Nature Photonics, 2014; doi: 10.1038/nphoton.2014.95)
(Nature / Imperial College, 19.05.2014 - NPO)
 
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