Extremes Experiment Erstmals Kollision von Lichtteilchen beobachtet

Lichtstrahlen beeinflussen sich nicht gegenseitig: Diese Annahme ist zentral in der klassischen Physik und Grundlage vieler Anwendungen. Doch nun wurde erstmals der Zusammenstoß zweier Photonen nachgewiesen.

Atlas-Detektor (Archivbild)
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Atlas-Detektor (Archivbild)


Mit vier Gleichungen hat der schottische Physiker James Clerk Maxwell im Jahr 1865 die erste "Weltformel" aufgestellt: Maxwell zeigte, dass Licht, Elektrizität und Magnetismus alle miteinander zusammenhängen. Es war der erste Schritt hin zu einer einheitlichen Theorie der physikalischen Welt.

Die Maxwell-Gleichungen sind auch die Grundlage unserer heutigen Technik: Sie beschreiben, wie sich Licht ausbreitet, wie man einen Radiosender baut oder wie ein Elektromotor funktioniert - um nur ein paar wenige Beispiele zu nennen.

Die Gleichungen des Briten setzten jedoch voraus, dass zwei Lichtstrahlen sich nicht gegenseitig beeinflussen. Bildlich gesprochen: Kreuzen sich zwei Strahlen, breiten sie sich aus als wäre der jeweils andere nicht da. Das klingt nach einem unwichtigen Detail - führt tatsächlich jedoch zu einem der mächtigsten Analysewerkzeuge der Physik, dem sogenannten Superpositionsprinzip.

Vorhersage aus den Dreißigern

Doch die Quantentheorie stellte diese Annahme infrage: Schon im Jahr 1936 zeigten die deutschen theoretischen Physiker Werner Heisenberg und Hans Euler, dass Lichtteilchen, die Photonen, zumindest in der Theorie zusammenstoßen können wie zwei Billardkugeln auf einem Tisch.

Nun, 81 Jahre nach der theoretischen Vorhersage, ist Physikern am weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC der experimentelle Nachweis einer solchen Kollision gelungen. Doch dafür war ein extremes Experiment nötig.

Dabei rasen zwei Blei-Ionen (geladene Blei-Atome) mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander zu. Fliegen sie knapp aneinander vorbei, entsteht ein sehr großes elektromagnetisches Feld. Dieses kann man so interpretieren, dass zwei Photonen aufeinander zufliegen - Physiker sprechen von "quasi-realen Photonen", die dann zusammenstoßen.

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Beschleuniger LHC: Das größte Experiment der Welt

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 (siehe Illustration). Aus den Daten lässt sich schließen, dass die Lichtteilchen zuvor kollidiert sein müssen.

Kollision zweier Lichtteilchen (Illustration)
Universität Mainz/ ATLAS

Kollision zweier Lichtteilchen (Illustration)

Die Forscher haben nun Messungen aus dem Jahr 2015 analysiert und dabei insgesamt 13 Photon-Photon-Kollisionen gefunden. Ihre Ergebnisse haben sie auf der Wissenschaftsplattform "arXiv" veröffentlicht. Eine Bestätigung durch unabhängige Gutachter ("Peer-Review-Verfahren") steht noch aus.

Auf unsere Alltagswelt haben die Messungen indes keinen Einfluss: Die Photon-Zusammenstöße sind so selten, dass die Maxwell-Gleichungen getrost weiter verwendet werden können.

sep



Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 105 Beiträge
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Seite 1
123Valentino 17.02.2017
1. Bin ....
Immer wieder erstaunt, wie Vorhersagen theoretischer Art, nach 80 Jahren bestätigt werden, ganz erstaunlich, auch wenn ich nicht mal den Schimmer von Verständnis habe. Als die Gravitatinswellen, von Einstein postulierten, nachgewiesen wurden , ging es mir ähnlich. Wie Sinnvoll, im Sinne des Wortes, Steuergeld sein kann.
curiosus_ 17.02.2017
2. Ein schönes beispiel dafür, wie...
...in der Physik "alte" und verifizierte Erkenntnisse durch neue Erkenntnisse nicht umgestoßen sondern nur als Grenzfall (Näherungslösungen) übergeordneter Gesetzmäßigkeiten erkannt werden.
simone20100 17.02.2017
3. Einfacherer Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau für wissenschaftliche Aussagekraft kann auch effizenter laufen: Bei uns am Institut gab es folgenden Versuchsaufbau: 2 Qualitätslaser wurden auf Zielpunke ausgerichtet und die Lichtausbeute vermessen. Nun wurden die Zielpunkte so gelegt, dass sich die Laserbahnen kreuzten. Erneut wurden die Lichtausbeute vermessen. Danach wurden beide Laser gleichzeitig aktiviert und es kam zu einem erstaunlichen Ergebnis. Unser nächster Versuch wird die Laserreflektoren auf der Mondoberfläche einbinden und dann werden wir unser Ergebnis vorstellen.
nocheinmallangsam 17.02.2017
4. Fake news
Solange das Peer Review Verfahren nicht abgeschlossen ist, könnte es sich wie bei mehreren früheren Versuchen der Teilchenphysik einfach um ein Artefakt handeln. Warum warten wir nicht das Verfahren und die Veröffentlichung ab, bevor solche grundlegenden Ergebnisse herausposaunt werden?
mcmercy 17.02.2017
5.
Die Frage ist warum sind solche Zusammenstöß in der Realität selten? Weil der Raum zwischen den Photonen so groß ist, das es kaum zum Zusammenprall kommt oder weshalb? Lettzlich müsste man doch annehmen, das an jeder Lichtquelle millionenfach zu solchen Kollisionen kommt.
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