Lichtteilchen Und sie treffen sich doch
Teilchendetektor des Teilchenbeschleunigers LHC
Foto: Laurent Gillieron/ dpaPhysiker haben erstmals direkte Hinweise auf eine Kollision von Lichtteilchen gefunden. Am weltgrößten Teilchenbeschleuniger des europäischen Kernforschungszentrums (Cern) in Genf erfassten die Forscher 13 solcher Ereignisse. Die Ergebnisse des Experiments wurden bereits im Februar bekannt. Inzwischen haben unabhängige Gutachter die Studie geprüft, die nun in der Fachzeitschrift "Nature Physics" veröffentlicht wurde.
Um sicherzustellen, dass es sich definitiv um Photonen-Kollisionen handelt, müssen die Forscher das Ereignis zwar noch häufiger nachweisen. Die Beteiligten am Cern wollen dies jedoch spätestens Ende 2018 mit weiteren Untersuchungen geschafft haben, wie der stellvertretende Leiter des Experiments, Andreas Hoecker, ankündigte. Auch jetzt gelten die Ergebnisse des Atlas-Experiments schon als Meilenstein. Sie resultierten aus Experimenten im Jahr 2015. So lange dauerte es, die Datenmengen auszuwerten und zu verifizieren.
Beschleuniger LHC: Das größte Experiment der Welt
Das klassische Verständnis der 150 Jahre alten Maxwell-Gleichungen zum Elektromagnetismus basiert darauf, dass Lichtstrahlen sich nicht gegenseitig beeinflussen. Quantenphysiker berechneten allerdings vor rund 80 Jahren, dass Lichtteilchen, die Photonen, unter bestimmten Bedingungen doch eine Wechselwirkung entwickeln können. Solche Wechselwirkungen waren seit den Siebzigerjahren schon indirekt gemessen worden.
Bei dem Experiment am Cern brachten die Physiker Blei-Ionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf Kollisionskurs. Wenn diese dabei sehr knapp aneinander vorbeirasen, entsteht ein großes elektromagnetisches Feld. Dieses kann man so interpretieren, dass zwei Photonen aufeinander zufliegen - Physiker sprechen von "quasi-realen Photonen", die dann zusammenstoßen.
Durch die Erzeugung und sofortige Vernichtung virtueller Paare sogenannter Elektronen und Positronen entsteht die Wechselwirkung der Photonen der beiden aufeinander zurasenden Blei-Ionen. Im Ergebnis fliegen die beiden Blei-Ionen aneinander vorbei und strahlen dabei zwei Photonen ab. Diese lassen sich mit dem Atlas-Detektor am LHC messen. Aus den Daten lässt sich schließen, dass die Lichtteilchen zuvor kollidiert sein müssen. Bei vier Milliarden Versuchen war das 13 Mal der Fall.
Hoffnung auf bisher unbekannte Teilchen
Eigentlich untersuchten die Physiker in dem Experiment Plasma, wie es zu Anfang des Universums aus stark wechselwirkenden Teilchen vorhanden war, wie Hoecker sagte. Die Suche nach Hinweisen auf Lichtteilchen-Kollisionen war ein Nebenprodukt.
Diese Ereignisse seien sehr selten, sagte Hoecker. Dass sich daraus ein praktischer Nutzen etwa für den Quantencomputer ergibt, bezweifelt er. Dennoch: "Es könnte sein, dass nicht nur Elektronen und Positronen, sondern auch schwerere, noch unbekannte Teilchen produziert werden. Das nachzuweisen wäre eine revolutionäre neue Physik", sagte er.
