Von: Andreas S.
Breit-Wheeler-Theorie

Neue Materie aus Licht erschaffen

Mit Hilfe eines Photonen-Beschleunigers wollen britische Physiker auf Grundlage der Breit-Wheeler-Theorie aus Licht Materie erschaffen.

Wenn aus Licht Materie wird.
© Bryan Chan / wikipedia.org

London (England) Die Physiker Gregory Breit und John Wheller erarbeiteten im Jahre 1934 eine theoretische Möglichkeit um Licht in Materie umzuwandeln. Dazu müssen lediglich zwei Lichtteilchen, sogenannte Photonen, miteinander kollidieren. Laut theoretischer Vorhersage müsste bei diesem Prozess ein Elektron und ein Positron entstehen.

Diese Vorhersage gehört heute zu den sieben grundlegenden theoretischen Vorhersagen der Quantenelektrodynamik. Der Effekt, der auch als Breit-Wheller-Theorie bekannt ist, konnte aber bis heute nicht bestätigt werden. Der Hauptgrund liegt darin, dass für das Experiment so große Photonendichte benötigt wird, wie sie selbst die stärksten Laser derzeit nicht erzeugen können.

Oliver Pike und seine Kollegen vom Imperial College in London beschreiben gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck Institut für Kernphysik in der Fachzeitschrift Nature Photonics eine Möglichkeit, wie die Breit-Wheeler-Theorie in einem Experiment bewiesen werden kann.

Für das Experiment wird ein Photonen-Beschleuniger benötigt, der mit bereits existierender Technologie gebaut werden müsste. Der Beschleuniger würde dann einen Prozess rekonstruieren, welcher den ersten 100 Sekunden nach dem Urknall sehr ähnlich ist.

Für das Experiment muss zunächst mit Hilfe eines Lasers ein extrem energiereicher Elektronenstrahl erzeugt werden. Die Elektronen werden mit annährend Lichtgeschwindigkeit auf ein Stück massives Gold geschossen. Bei diesem Vorgang entsteht eine Bremsstrahlung, welche sich in Form von Gammastrahlung entlädt. Die dabei entstehende Energiedichte ist rund eine Milliarde mal höher als die Energiedichte von sichtbarem Licht.

In der zweiten Phase wird ein winziger Hohlraum in einem zweiten Goldstück mit einem Hochleistungslaser aufgeheizt, das in dem Vakuum des Hohlraums ein von Photonen angefülltes Strahlungsfeld entsteht. Auf dieses Feld wird dann der energiereiche Photonenstrahl ausgerichtet.

Laut Pike und seinem Team entsteht dann genau das, was die Breit-Wheller-Theorie vorhersagt: Die Photonen des Elektronenstrahles und die des Strahlungsfeldes kollidieren, wodurch jeweils Paare von Elektronen und Positronen entstehen. Diese können dann mit Detektoren nachgewiesen werden. Laut Berechnungen müsste ein Bremsstrahl von 100 Millionen Photonen ausreichen, um, je nach Größe des Vakuum-Hohlraums, zwischen 100 und 10.000 solcher Teilchenpaare pro Versuch entstehen zu lassen.

Nachdem die theoretischen Physiker nun gezeigt haben, wie die Breit-Wheller-Theorie bewiesen werden kann, liegt es an den praktischen Physikern das Experiment aufzubauen und erstmals im Labor aus Licht Materie zu erschaffen. "Obwohl die Theorie auf einem einfachen Konzept beruht, war es bislang sehr schwierig, sie experimentell zu bestätigen. Es ist uns jetzt aber gelungen, die Idee eines Photonen-Beschleunigers so umzusetzen, dass das Experiment vergleichsweise einfach und mit der bereits heute vorhandenen Technologie umgesetzt werden könnte", erläutert Pike abschließend.

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