Breit-Wheeler-Effekt

Materie aus purem Licht erzeugt

Robert Klatt

Der bereits 1934 postulierte Breit-Wheeler-Effekt beschreibt die Umwandlung von Licht in Materie. Ein Experiment hat nun diese Theorie erstmals bewiesen.

Long Island (U.S.A.). Einstein beschrieb im Rahmen seiner speziellen Relativitätstheorie das Naturgesetz der Äquivalenz von Masse und Energie (E = mc²) bereits 1905. Energie und Materie sind demnach äquivalent und können ineinander umgewandelt werden. Die eine Richtung von Materie und Energie ist allgegenwärtig. Sie findet beispielsweise beim Verschmelzen von Atomkernen und der Abgabe von Energie in Form von Strahlung permanent in der Sonne statt.

Den umgekehrten Weg, bei dem Materie aus Licht entsteht, postulierten die Physiker Gregory Breit und John Wheeler 1934. Sie konnten mit ihrer Theorie beweisen, dass bei der Kollision von zwei energiereichen Photonen ein Positron und ein Elektron entstehen, sich also Materie bildet.

Umsetzung per Laser

„Breit und Wheeler war bereits klar, dass dies fast unmöglich praktisch umzusetzen wäre“, erklärt Zhangbu Xu vom Brookhaven National Laboratory. Nötig wäre für eine direkte Umwandlung ein Laser, der in einem hoch konzentrierten Strahl Gammastrahlen-Photonen abgibt. Einen solchen Laser konnte die Forschung aber bis heute nicht entwickeln.

Alternativ postulierten Breit und Wheeler eine Methode, bei der statt eines Photonenstrahls beschleunigte Schwerionen als Lichtquelle dienen. Weil stark positiv geladenen Atomkerne bei einer extrem hohen Beschleunigung um sich herum starke elektromagnetische Felder erzeugen, gleichen ihre physikalischen Eigenschaften unter bestimmten Bedingungen denen von Photonen.

Wolke aus Lichtteilchen

Laut der Theorie von Breit und Wheeler ist demnach ein Ion bei seiner Bewegung durch einen Teilchenbeschleuniger von einer Wolke aus Lichtteilchen umgeben. Bei zwei dieser Atomkerne, die sich in einem Beschleuniger aufeinanderzubewegen und dabei fast kollidieren, kommt es zu Interaktionen ihrer Photonenwolken. Ein Teil davon wird dabei stark beschleunigt und die energiereichen Lichtteilchen kollidieren. Dabei sollen laut der Theorie Paare von Elektronen und Positronen entstehen.

Theorie experimentell überprüft

Ein Team um Zhangbu Xu vom Brookhaven National Laboratory (BNL) hat die fast hundert Jahre alte Theorie nun mithilfe des STAR-Detektors am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) experimentell überprüft. Laut ihrer Publikation in den Physical Review Letters ließen sie dazu auf 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Goldkerne kollidieren.

Die dabei entstandenen freigesetzten Zerfallsprodukte untersuchten sie auf Paare von Elektronen und Positronen, deren Massenverteilung, Energie und Quantenzustände denen des Breit-Wheeler-Effekts entsprachen. Insgesamt konnten die Physiker dabei 6.085 Elektron-Positron-Paare mit den passenden Merkmalen finden. Außerdem prüften die Wissenschaftler in einem zusätzlichen Experiment, ob die bei der Kollision erzeugten Photonen Merkmale normaler Lichtteilchen hatten. Auch dies wurde bestätigt.

Beweis für den Breit-Wheeler-Effekt

„Unsere Ergebnisse liefern einen klaren Beleg für die direkte, in einem Schritt ablaufende Erzeugung von Materie-Antimaterie-Paaren aus der Kollision von Licht – so wie es von Breit und Wheeler theoretisch beschrieben worden ist“, erklärt Daniel Brandenburg. Es ist demnach belegt, dass die direkte Umwandlung von Licht in Materie möglich ist.

Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.127.052302

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