Breit-Wheeler-Effekt

Physiker wollen Licht in Materie umwandeln

Licht in Materie

Physiker wollen in einem britischen Labor zeigen, dass sich Licht in Materie umwandeln lässt – eine Theorie, die über 80 Jahre lang als unbeweisbar galt.

London (Großbritannien). Bereits im Jahr 1934 stellten die Physiker Gregory Breit und John A. Wheeler die Theorie auf, dass bei der Kollision zweier Lichtteilchen ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, entstehen müssten. Nach de, sogenannten Breit-Wheeler-Effekt müsste sich also Licht in Materie umwandeln lassen. Da der errechnete Wirkungsquerschnitt jedoch so klein ist, hielten sie einen experimentellen Nachweis im Labor angesichts der benötigten Photonendichte für unmöglich.

Zwar erbrachten bereits Physiker in der Vergangenheit den Nachweis, dass sich Licht tatsächlich in Materie umwandeln lässt, jedoch gelangen die Experimente nur unter der Zugabe hochenergetischer Teilchen.

Der Rückwärtsbeweis

Stuard Mangles, Physiker am Imperial College London und Kollegen vom Max-Plank-Institut für Kernphysik haben nun eine Versuchsanordnung präsentiert, die ohne die zusätzlichen hochenergetischen Teilchen auskommen soll. Steven Rose, Leiter der aktuellen Forschungsgruppe, erklärt: „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 exakt das Gleiche, aber rückwärts. Wir wandeln die Energie von Photonen in Masse, also m=E/c².

1.000.000.000-fache Energie

Bei dem Experiment kommen zwei Hochleistungslaser zu Einsatz, welche die Photonen aufeinanderprallen lassen. Eines der beiden Lichtteilchen wird dabei etwa die 1.000-fache Energie eines Photons haben, welches sichtbares Licht erzeugt. Das andere Photon wird sogar die 1.000.000.000-fache Energie besitzen.

Beide Lasergeräte werden dazu zunächst auf ein winziges Ziel innerhalb einer speziellen Kammer gerichtet. Diese Kammer besitzt eine besondere Optik, die dazu genutzt wird, um die Laser so zu fokussieren, dass die beiden geladenen Photonen aufeinanderprallen. Wenn das Experiment erfolgreich verläuft, sollte nach dem Zusammenstoß der Lichtteilchen Positronen zurückbleiben.

Als Breit und Wheeler damals ihre Theorie präsentierten, beriefen sie sich auf eine zu dieser Zeit völlig neue Theorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, welche heute als Quantenelektrodynamik bekannt ist. In der Zwischenzeit konnten viele andere fundamentale Vorhersagen der Quantenelektrodynamik in Experimenten nachgewiesen werden – jedoch nicht der Breit-Wheeler-Effekt. „Wenn es uns jetzt gelingt, den Breit-Wheeler-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“, so Mangles.

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