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Kollidierende Photonen machten Materie. Aber sind die Photonen „echt“?

Kollidiere Licht mit Licht, und puff, du bekommst Materie und Antimaterie. Es klingt wie eine einfache Idee, aber es erweist sich als überraschend schwer zu beweisen.

Ein Team von Physikern behauptet nun die erste direkte Beobachtung des lange gesuchten Breit-Wheeler-Prozesses, bei dem zwei Lichtteilchen oder Photonen aufeinanderprallen und ein Elektron und sein Antimaterie-Gegenstück, ein Positron, produzieren. Aber wie bei einer Diskussion aus einem einführenden Philosophiekurs hängt die Bedeutung der Erkennung von der Definition des Wortes „real“ ab. Einige Physiker argumentieren, dass die Photonen nicht als real gelten, was Fragen zu den Auswirkungen der Beobachtung aufwirft.

Vor mehr als 80 Jahren vorhergesagt, wurde der Breit-Wheeler-Prozess nie direkt beobachtet, obwohl Wissenschaftler verwandte Prozesse wie die Lichtstreuung von Licht beobachtet haben (SN: 14.08.17). Neue Messungen des STAR-Experiments am Relativistic Heavy Ion Collider des Brookhaven National Laboratory stimmen mit den Vorhersagen für die schwer fassbare Transformation überein, berichten der Brookhaven-Physiker Daniel Brandenburg und Kollegen am 30. Juli Physische Überprüfungsschreiben.

„Die Idee, dass man durch Zusammenschlagen von Licht Materie erzeugen kann, ist ein interessantes Konzept“, sagt Brandenburg. Es ist eine eindrucksvolle Demonstration der Physik, die in Einsteins Gleichung E=mc . verewigt ist2, die enthüllte, dass Energie und Masse zwei Seiten derselben Medaille sind.

Ob die Beobachtung wirklich zutrifft, hängt davon ab, ob die Photonen als „real“ betrachtet werden, wie es der Breit-Wheeler-Prozess fordert, oder als „virtuell“. In der Teilchenphysik sind virtuelle Teilchen solche, die nur für kurze Augenblicke erscheinen und nicht ihre normale Masse tragen.

Photonen aus einer gewöhnlichen Lichtquelle wie einer Glühbirne oder einem Laser sind real, da sind sich die Physiker einig. Aber die ehrlichen Photonen von Brandenburg und Kollegen stehen zur Debatte. Das liegt daran, dass das Licht, das das Team kollidiert, aus einer ungewöhnlichen Quelle kommt.

Im Relativistic Heavy Ion Collider bewegen sich Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, bevor sie ineinander stoßen. Diese schnellen Kerne sind von elektromagnetischen Feldern umgeben, und mit diesen Feldern sind Photonen verbunden. Normalerweise sind solche Photonen aus elektromagnetischen Feldern virtuell. Aber im Experiment verhalten sich die Photonen aufgrund der hohen Geschwindigkeiten, mit denen die beiden Kerne entlang rasen, so, als ob sie real wären.

Der neue Beweis für den Breit-Wheeler-Prozess kommt von Kollisionen, bei denen die Kerne sich knapp verfehlten. In diesen Fällen überlappen sich die elektromagnetischen Felder der beiden Kerne und zwei Photonen aus diesen Feldern können kollidieren. Also suchten die Forscher nach Beinahe-Unfällen, die ein Elektron und ein Positron ausspucken.

Illustration von zwei kollidierenden Photonen, die ein Elektron und ein Positron erzeugen
Wenn zwei Atomkerne (rot) nahe vorbeiziehen, kollidieren zwei Lichtteilchen (gelb) und erzeugen ein negativ geladenes Elektron ( e) und ein positiv geladenes Positron (e+).BNL

Aber, sagt der Mitautor der Studie, Zhangbu Xu, ein Physiker ebenfalls in Brookhaven in Upton, NY, „das Problem ist, wie Sie tatsächlich sagen, dass diese von ihnen stammen [real] Photonen, nicht von anderen Prozessen.“ Um den Fall zu untermauern, dass die Partikel von realen Photonen stammten, untersuchten die Forscher die Winkel zwischen diesen Partikeln, die sich unterscheiden, je nachdem, ob reale oder virtuelle Photonen kollidierten. Die Winkel entsprachen den Erwartungen für echte Photonen, was darauf hindeutet, dass das Team den legitimen Breit-Wheeler-Prozess gesehen hatte.

Doch „streng genommen“, sagt der Teilchenphysiker Lucian Harland-Lang von der Universität Oxford, sei das Experiment „irgendwie einen Schritt entfernt“ vom wahren Breit-Wheeler-Prozess. Obwohl sich die Photonen fast wie real verhalten, sind sie technisch virtuell.

Brandenburg und Kollegen sehen das anders, ähnlich einer Physikversion des klassischen Ententests: Wenn es wie eine Ente läuft und wie eine Ente quakt, dann ist es wahrscheinlich eine Ente. Wenn die Realität eines Photons nur auf seinem Verhalten beruht, dann wären dies echte Photonen.

Und die Messungen der Wissenschaftler bestätigen das, sagt der Laserplasmaphysiker Stuart Mangles vom Imperial College London, der nicht an der neuen Studie beteiligt war: „Alles, was sie daran messen, lässt es wie ein echtes Photon aussehen.“ Mangles stellt jedoch fest, dass die Photonen nach einigen Definitionen immer noch virtuell sind: Im Gegensatz zu normalen Photonen, die keine Masse haben, haben diese Photonen Masse.

Eine Möglichkeit, heikle Fragen zur Definition von Realität zu umgehen, wäre, dieses Experiment mit unbestreitbar realen Photonen durchzuführen. Mangles und andere arbeiten daran, den Breit-Wheeler-Prozess mit Lasern zu erkennen, die Licht erzeugen, das so echt ist wie das Licht, sodass Sie diesen Artikel lesen können. Das, so hoffen Physiker, wird die Argumente für kollidierendes Licht, das Materie erzeugt, klären.

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