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Experimente laufen: Wissenschaftler wollen erstmals Licht in Materie umwandeln

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

In einem britischen Labor wollen Physiker zeigen, dass sich aus Licht Materie schaffen lässt – eine Theorie, die 84 Jahre lang als unbeweisbar galt.

Bereits 1934 schrieben die Physiker Gregory Breit und John A. Wheeler, dass bei der Kollision zweier Lichtteilchen ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, entstehen könnten. Gemäß dem nach den beiden Wissenschaftlern benannten „Breit-Wheeler-Effekt“ ließe sich Licht also in Materie umwandeln. Den zugehörigen Wirkungsquerschnitt berechneten sie jedoch mit lediglich 10–29 m2 , einen experimentellen Nachweis im Labor hielten sie angesichts der benötigten Photonendichte darum selbst für sehr unwahrscheinlich.

Zwar gab es in der Vergangenheit tatsächlich schon einige erfolgreiche Umwandlungsversuche, diese gelangen jedoch nur durch die Zugabe hochenergetischer Teilchen. In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik haben britische Forscher allerdings bereits 2014 eine theoretische Versuchsanordnung präsentiert, die nach ihrer Einschätzung eine „Paarerzeugung“ ohne zusätzliche Hilfsmittel ermöglicht. Steven Rose, Leiter der Forschungsgruppe, sagt: „Dies wäre eine lupenreine Demonstration von Einsteins berühmter Gleichung E=mc², die Energie und Masse in Beziehung setzt und uns sagt, wie viel Energie erzeugt wird, wenn Materie in Energie umgewandelt wird. Wir machen genau das Gleiche, aber rückwärts: Wir verwandeln die Energie von Photonen in Masse, das heißt m=E/c2.”

Wichtige Rolle in Sekunden nach dem Big Bang

Das in den Experimenten zum Einsatz kommende System umfasst zwei Hochleistungslaser, die dazu genutzt werden sollen, Photonen aufeinanderprallen zu lassen. Eines der Lichtteilchen wird dabei die etwa 1.000-fache Energie eines Photons haben, das sichtbares Licht erzeugt, das andere gar die 1.000.000.000-fache Energie. In den Versuchen werden die Laserstrahlen zunächst auf zwei winzige separate Ziele innerhalb einer Kammer gerichtet, die eine komplexe Optik enthält. Diese wiederum wird genutzt, um die Laserstrahlen so zu fokussieren, dass die geladenen Photonen aufeinanderprallen. Sind die Untersuchungen erfolgreich, sollten nach dem Zusammenstoß der Lichtteilchen Positronen zurückbleiben und nachgewiesen werden können.

Die Zielkammer mit einer komplexen Optik zur Fokussierung der Strahlen, in der Licht in Materie umgewandelt werden soll. Bild: Imperial College London (Montage)

Als Breit und Wheeler vor rund 84 Jahren ihre Theorie veröffentlichten, beriefen sie sich auf eine zu dieser Zeit neue Theorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die heute als Quantenelektrodynamik (QED) bekannt ist. Während inzwischen jede andere fundamentale Vorhersage der QED in Experimenten praktisch nachgewiesen werden konnte, ist dies für den Breit-Wheeler-Effekt nicht der Fall. Stuart Mangles, Physiker am Imperial College London, erklärt: „Wenn es uns jetzt gelingt, den Effekt zu validieren, würden wir einen Prozess nachahmen, der in den ersten 100 Sekunden des Universums wichtig war und auch in Gammastrahlenausbrüchen eine zentrale Rolle spielt“. Diese sind für gewaltige Explosionen im All verantwortlich und gehören zu den größten ungelösten Geheimnissen der Physik.

Cover-Foto: Imperial College London (Montage)

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