Mittwoch, 21. Mai 2014

Physiker zeigen Weg, um aus Licht Materie zu erzeugen


Symbolbild: Licht (Illu.). | Copyright: grewi.de

London (England) - Britische Physiker haben einen Weg gefunden, um Materie aus Licht zu erzeugen. Nachdem vor rund 80 Jahren diese Möglichkeit erstmals angedacht wurde, galt das Prinzip zwar theoretisch als machbar, in der Praxis jedoch als nicht umsetzbar. Die nun vorgestellt Methode ist zudem nicht nur vergleichsweise einfach sondern kann schon mit bereits existierender Technologie umgesetzt werden. Das Rennen um den ersten Nachweis für die so erzeugte "Licht-Materie" erklären die Forscher damit als eröffnet.

Zum ersten Mal schlugen die Physiker Gregory Breit und John Wheeler im Jahre 1934 vor, dass es möglich sein sollte, Licht in Materie umzuwandeln, in dem man nur zwei Lichtteilchen - sog. Photonen - miteinander kollidieren lässt, um daraus ein Elektron und ein Positron entstehen zu lassen. Obwohl heutzutage Teil der sieben grundlegenden theoretischen Vorhersagen der Quantenelektrodynamik, konnte bzw. wurde der von der sog. Breit-Wheeler-Theorie beschriebene Effekt bislang noch nie im Laborexperiment bestätigt. Hauptgrund war, dass zur Durchführung derart große Photonendichten benötigt werden, wie sie unter Laborbedingungen nicht erzeugt werden konnten.


Jetzt zeigen Oliver Pike und Kollegen vom Imperial College London gemeinsam mit Forschern des Max-Planck-Institut für Kernphysik in einem Artikel im Fachjournal "Nature Photonics" (DOI: 1038/nphoton.2014.95) jedoch zum ersten Mal, wie die Breit-Wheeler-Theorie in der Praxis bewiesen und umgesetzt werden kann.


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Tatsächlich könne der hierzu notwendige "Photonen-Beschleuniger" bereits mit schon heute existierender Technologie konzipiert werden und würde einen Prozess rekonstruieren, wie er in den ersten 100 Sekunden nach dem Urknall stattfand und heute noch in Form der energiereichsten Explosionen um Universum, den sogenannten Gammstrahlenausbrüchen, Wissenschaftler vor viele Rätsel stellt.


Schaubild zu den grundlegenden Prozessen der Quantenelektrodynamik. Lediglich die Breit-Wheeler-Theorie wurde bislang noch nicht experimentell bestätigt. | Copyright: Oliver Pike, Imperial College London

Im von Pike und Kollegen vorgeschlagenen Experiment muss zunächst mittels Laserlicht ein extrem energiereicher Elektronenstrahl erzeugt werden, in dem die Elektronen mit annähernder Lichtgeschwindigkeit auf ein Stück massives Gold geschossen werden. Bei dieser Kollision entsteht laut den Forschern eine Bremsstrahlung in Form von Gammastrahlung mit einer rund eine Milliarde höheren Energie wie die von sichtbarem Licht.


In einer zweiten Phase wird ein winziger Hohlraum in einem zweiten Goldstück, ein sog. Vakuum-Holraum, mit einem Hochleistungs-Laser aufgeheizt, so dass auch darin ein von Photonen (also Lichtteilchen) angefülltes Strahlungsfeld entsteht, auf dass dann der zuvor erzeugte energiereiche Photonenstrahl ausgerichtet wird.


Laut Pike und Kollegen entstünde dann genau das, was von der Breit-Wheeler-Theorie vorhergesagt wird: Die Photonen des Elektronenstrahls und des Strahlungsfeldes kollidieren, wodurch jeweils Paare von Elektronen und Positronen entstehen, die dann mit Detektoren nachgewiesen werden können. Schon ein Bremsstrahl von 100 Millionen Photonen würde laut Pike ausreichen, um - abhängig von der Größe des Vakuum-Hohlraums - zwischen 100 und 10.000 solcher Teilchenpaare pro Versuch entstehen zu lassen.


Nachdem die theoretischen Physiker nun aufgezeigt haben, dass und wie die Breit-Wheeler-Theorie praktisch bewiesen werden kann, liege es nun an anderen, die Anleitung auch in die Tat umzusetzen: "Obwohl die Theorie auf einem einfachen Konzept beruht, war es bislang sehr schwierig, sie experimentell zu bestätigen. Es ist uns jetzt aber gelungen, die Idee eines Photonen-Beschleunigers so umzusetzen, dass das Experiment vergleichsweise einfach und mit der bereits heute vorhandenen Technologie umgesetzt werden könnte", erläutert Pike und erklärt abschließend: "Das Rennen um die Umsetzung des Experiments ist damit eröffnet."


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Quelle: imperial.ac.uk
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