Wie sich Licht in Materie umwandeln lässt

1934 beschrieben die Physiker Gregory Breit und John Wheeler eine Teilchenreaktion, in der aus zwei aufeinandertreffenden Photonen ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, entstehen. Dieser Prozess konnte bis heute nicht in dieser Form beobachtet werden. Nun entwickelten Forscher vom Imperial College in London ein neues, bislang allerdings nur theoretisches Konzept für ein Experiment, in dem sich Licht in Materie umwandeln ließe. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“.

Laut Albert Einstein lässt sich Masse in Energie umwandeln und umgekehrt. Will man neue Teilchen erzeugen, muss die eingesetzte Energie mindestens so groß sein wie die Masse der neuen Teilchen – der exakte Wert lässt sich mit Einsteins berühmter Formel berechnen. Oliver Pike und seine Kollegen überlegten sich nun, in welchem experimentellen Aufbau man Lichtquanten mit den nötigen Energien bereitstellen könnte. „Die experimentelle Umsetzung wäre schon lange möglich gewesen, aber bisher ist einfach noch niemand auf diese Idee gekommen“, sagt Koautor Felix Mackenroth vom Max-Planck-Institut für Kernphysik.

Zunächst, so das Ergebnis, müsse man Elektronen auf eine Goldfolie schießen. Durch die Zusammenstöße mit den Goldkernen werden die Elektronen stark abgebremst und geben ihre Energie in Form von Photonen wieder ab, die eine Milliarde Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Diese Strahlung könne man in einen speziellen, mit einem Laser aufgeheizten Behälter leiten, in dem sich ebenfalls Photonen befinden. Treffen die energiereichen Lichtteilchen auf ein Photon in dieser Kammer, entsteht direkt ein Elektron-Positron-Paar, ohne dass zwischendurch andere massebehaftete Teilchen entstehen, wie es in anderen bereits realisierten Experimenten geschieht. Um diese Elektronen und Positronen zu trennen und nachzuweisen, wollen die Wissenschaftler ein Magnetfeld verwenden.

Mit Modellrechnungen konnte das Team zeigen, dass es mit einem Photonenpuls möglich sein sollte, 1000 bis 100 000 Teilchenpaare zu erzeugen. „Sobald der Aufbau steht, sollten stichhaltige Daten innerhalb weniger Monate vorliegen. Wir arbeiten natürlich bereits an der experimentellen Umsetzung und warten auf die Zusage von den großen Forschungseinrichtungen, an denen das Experiment gemacht werden kann“, so Mackenroth und fährt fort: „Die neu erschlossenen Forschungsfelder könnten immens sein. Wir planen, mit der vorgeschlagenen Klasse von Experimenten sogenannte Photon-Photon-Collider experimentell zugänglich zu machen.“

Diese könnten neue Erkenntnisse über Prozesse im frühen Universum liefern, da dort solche und ähnliche Teilchenreaktionen abliefen. Wenn man diese Reaktionen im Labor nachstellen und untersuchen könnte, würde dies zum Verständnis der Entstehungsgeschichte des Universums beitragen.