Revolutionäre Physik bestätigt 80 Jahre alte Theorie: Forscher wandeln Licht in Materie um

E=mc² – die berühmte Formel von Albert Einstein kennt so gut wie jeder. Die Erkenntnis dahinter ist wiederum wahrscheinlich weniger Menschen klar: Einstein erkannte bereits Anfang des vergangenen Jahrhunderts, dass es ein Äquivalenzverhältnis zwischen Materie und Energie gibt. Mit anderen Worten: Energie und Materie lassen sich ineinander umwandeln. Die Möglichkeit der Umwandlung von Energie in Materie haben die beiden Physiker Gregory Breit und John Wheeler in einer Konkretisierung von Einsteins Formel bereits 1934 theoretisiert. Physikern gelang es nun, diese Umwandlung in der Praxis zu bestätigen.

Fast 90 Jahre alte Theorie

Die Umwandlung von Materie in Energie erleben wir jeden Tag. In der Sonne verschmelzen die Kerne von Artomen miteinander, wobei Energie in Form von Strahlung freigesetzt wird, die dann als Licht auf der Erde ankommt.

Den umgekehrten Weg haben Breit und Wheeler bereits 1934 postuliert. In ihrer Theorie konnten die beiden Physiker zeigen, dass bei der Kollision von zwei energiereichen Photonen Materieteilchen erzeugt werden können – konkret ein Elektron und ein Positron. Allerdings war dies nur eine Theorie. Und das aus gutem Grund: „Breit und Wheeler war bereits klar, dass dies fast unmöglich praktisch umzusetzen wäre„, so Zhangbu Xu vom Brookhaven National Laboratory. Für diese direkte Umwandlung wäre ein Laser nötig, der energiereiche Gammastrahlen-Photonen in einem hochkonzentrierten Strahl abgeben kann. Einen solchen Laser gab es zu Zeiten von Breit und Wheeler nicht und gibt es auch bis heute nicht.

Vor einigen Jahren haben Physiker dann eine Methode vorgeschlagen, mit deren Hilfe mit normalen Lasern eine Art quantenphysikalische Kettenreaktion in Gang gesetzt wird, über die Materieteilchen erzeugt werden könnten. Allerdings wurde diese Methode bisher nicht experimentell umgesetzt.

Alternativer Weg zum Erfolg

Breit und Wheeler haben aber noch einen anderen Weg postuliert, um aus Licht Materie zu erzeugen. Dabei kommen statt des Photonenstrahls beschleunigte Schwerionen als Lichtquelle zum Einsatz. Deren stark positiv geladenen Atomkerne erzeugen bei hoher Beschleunigung elektromagnetische Felder um sich herum. Ihre physikalischen Merkmale gleichen unter bestimmten Voraussetzungen denen von Photonen.

In der Theorie läuft das wie folgt: Ein Schwerion ist bei seinem Flug durch den Teilchenbeschleuniger von einer Art Wolke aus Lichtteilchen umgeben, die miteinander interagieren, wenn zwei solcher Atomkerne eng aneinander vorbeifliegen. Dabei kollidieren einige der stark beschleunigten, energiereichen Lichtteilchen miteinander, was zur Entstehung von Paaren von Elektronen und Positronen führt.

Diese Theorie wurde nun von Xu und seinem Team von der STAR-Kollaboration am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven getestet.

Von der Theorie zur Praxis

Die Forscher haben in ihrem Experiment Goldkerne bis auf 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann die Teilchenstrahlen miteinander kollidieren lassen. Anschließend untersuchten sie die Zerfallsprodukte und suchten dabei nach Paaren von Elektronen und Positronen, deren Zustände denen entsprachen, die der Breit-Wheeler-Effekt voraussagt.

Die Physiker konnten 6085 solcher Paarungen aufspüren. Außerdem überprüften die Forscher, ob die im Umfeld der Atomkerne erzeugten Photonen den Merkmalen normaler Lichtteilchen entsprechen.

„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“, so Daniel Brandenburg vom Brookhaven Laboratory, der an dem Projekt beteiligt war. Wenn die Ergebnisse sich bestätigen lassen, wäre dies der erste experimentelle Nachweis der direkten Umwandlung von Licht in Materie.

via Brookhaven National Laboratory