Physiker des Imperial College London testen in Laser-Einrichtungen in Großbritannien eine 84 Jahre alte Theorie, die man einst für unmöglich zu beweisen hielt. Die Theorie des Breit-Wheeler-Effekts besagt, dass es möglich sein sollte, Licht in Materie umzuwandeln, indem man zwei Lichtteilchen (Photonen) kollidieren lässt, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen. Frühere Versuche, dies zu tun, machten jedoch die Beteiligung zusätzlicher hochenergetischer Teilchen erforderlich.
Unter Leitung von Professor Steven Rose entwickelten Physiker des Imperial College London im Jahr 2014 eine Möglichkeit zur Überprüfung der Theorie, die nicht auf diese zusätzlichen Teilchen angewiesen ist, und heute läuft ein Experiment in der Hoffnung, Licht erstmals direkt in Materie umzuwandeln.
Professor Rose sagte: “Das wäre eine schiere Demonstration von Einsteins berühmter Gleichung, die Energie und Masse in Zusammenhang setzt: E=mc2 sagt uns, wie viel Energie produziert wird, wenn Materie in Energie umgewandelt wird. Wir tun das gleiche, aber umgekehrt: Wir wandeln Photonenenergie in Masse um, also m=E/c2.”
An dem System sind zwei Hochenergielaserstrahlen beteiligt, die verwendet werden, um die Photonen zu erzeugen, welche zur Kollision gebracht werden. Eines der Photonen hat etwa 1.000 Mal mehr Energie als ein Photon des optischen Lichts, und das andere ist eine Milliarde Mal energiereicher.
Die Laserstrahlen werden auf zwei separate, winzige Ziele innerhalb einer Kollisionskammer gerichtet, die eine komplexe Optik zur Fokussierung der Laserstrahlen enthält, sowie Magnete, die zum Ablenken der geladenen Teilchen dienen. Das Team wird nach den geladenen Positronen von der Kollision suchen, um zu bestätigen, ob der Prozess erfolgreich war.
Das Team unter Leitung von Dr. Stuart Mangles und Professor Rose suchte rund um den Globus nach einem passenden Lasersystem, aber fand das geeignetste nah an der Heimat: Der Gemini-Laser der Central Laser Facility am STFC Rutherford Appleton Laboratory bei Oxford.
Wenn sie erfolgreich sind, werden sie Positronen registrieren, aber sie werden eine sorgfältige Analyse der Daten durchführen müssen, bevor bestätigt werden kann, dass diese Positronen aus dem Breit-Wheeler-Effekt stammen und nicht von anderen Hintergrundprozessen. Damit wäre die Umwandlung von Licht in Materie bewiesen.
Dr. Mangles sagte: “Als Gregory Breit und John Wheeler den Mechanismus im Jahr 1934 erstmals vorschlugen, nutzten sie die damals neue Theorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die sogenannte Quantenelektrodynamik. Während jede andere fundamentale Voraussage der Quantenelektrodynamik seitdem experimentell demonstriert wurde, wurde der ‘Zwei-Photonen-Breit-Wheeler-Effekt’ bislang nie beobachtet.”
“Wenn wir ihn jetzt demonstrieren können, würden wir einen Prozess nachbilden, der in den ersten 100 Sekunden des Universums von Bedeutung war, und der außerdem in Gammablitzen eine Rolle spielt, den stärksten Explosionen im Universum und einem der größten ungelösten Rätsel der Physik”, ergänzte Mangles.
Einige der Detektoren, die das Team verwenden wird, kommen vom CERN, und das Team hofft, auf ein Studentennetzwerk des Institute for Research in Schools zurückgreifen zu können, um bei der Datenanalyse zu helfen. Rose ist einer der Gründer des Institute for Research in Schools.
(THK)
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