Lichtteilchen Und sie treffen sich doch

Vor mehr als 80 Jahren behaupteten Physiker kühn: Lichtteilchen könnten entgegen der bisherigen Auffassung sehr wohl kollidieren. Das Kernforschungszentrum Cern liefert nun erste, unabhängig geprüfte Belege dafür.

Teilchendetektor des Teilchenbeschleunigers LHC
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Teilchendetektor des Teilchenbeschleunigers LHC


Physiker 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.

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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.

koe/dpa



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Seite 1
Layer_8 15.08.2017
1. Naja
"Es könnte sein, dass nicht nur Elektronen und Positronen, sondern auch schwerere, noch unbekannte Teilchen produziert werden. Das nachzuweisen wäre eine revolutionäre neue Physik" Die Hoffnung stirbt zuletzt. Und das mit den gegenseitig wechselwirkenden Photonen geht in die selbe Klasse wie das Auffinden des Higgs-Bosons. Eine weitere Bestätigung des Standardmodells, welche keine neue Teilchen mehr zulässt. btw Ich sehe jetzt nicht, was das mit Quantencomputern zu tun haben soll. Erzeugung stabiler Qubits ist was ganz anderes.
bismarck_utopia 15.08.2017
2.
"Die Suche nach Hinweisen auf Lichtteilchen-Kollisionen war ein Nebenprodukt." Suche als Nebenprodukt? Doch wohl eher die Entdeckung.
meine Güte 15.08.2017
3. Ein Laie!
Bin kein Teilchenphysiker, aber das Thema ist Interessant. Würde mir freundlicherweise, jemand verständlich Erklären, warum die Maschinen und Detektoren so monströs sein müssen. Beim Beschleunigerring verstehe ich das. Für mich liefern die Artikel irgendwie zuwenig Input.
felisconcolor 15.08.2017
4. Im
Zitat von meine GüteBin kein Teilchenphysiker, aber das Thema ist Interessant. Würde mir freundlicherweise, jemand verständlich Erklären, warum die Maschinen und Detektoren so monströs sein müssen. Beim Beschleunigerring verstehe ich das. Für mich liefern die Artikel irgendwie zuwenig Input.
Grunde ist das relativ einfach. Man muss sich nur einmal in die Dimensionen eines Atoms bewegen. Wäre der Atomkern so groß wie ein Streichholzkopf dann könnte man in dem Raum bis zur ersten Elektronenschale den Kölner Dom verstecken. Will sagen das was wir als feste Materie im makroskopischen Raum verstehen ist in Wahrheit doch eher ein goßes Nichts mit etwas Material darin. Und jetzt will ich etwas messen / detektieren was diesen leeren Raum eigentlich ohne irgendwo anzustossen durchqueren kann. Was mache ich also ich stelle dem zu messenden Teilen noch mehr Materie in den Weg. Beispiel Einen Fussball kann ich bei 20 Menschen (wenig Materie) auf dem Platz, bei zufälliger Verteilung, von einem Ende zum andren schiessen ohne das ich jemanden treffe. Jetzt kann ich entweder die Masse erhöhen, ich stelle 200 Menschen auf den Platz oder ich mach das "Messfeld" größer indem ich den Fussballplatz 10mal (mit jeweils 20 Menschen drin) hintereinander stelle. Die Wahrscheinlichkeit das ich jetzt jemanden mit dem Fussball (das zu detektierende Teilchen) treffe steigt also um das 10fache. Bei den Energien welche in dem Beschleuniger erreicht werden brauche ich verdammt viel Materie UND viel Messraum um so kleine Teilchen wahrnehmen (Messen) zu können. Ich denke das war die einfachste Art ihre Frage zu erklären.
Paul Panda 15.08.2017
5. Gute Frage
Zitat von meine GüteBin kein Teilchenphysiker, aber das Thema ist Interessant. Würde mir freundlicherweise, jemand verständlich Erklären, warum die Maschinen und Detektoren so monströs sein müssen. Beim Beschleunigerring verstehe ich das. Für mich liefern die Artikel irgendwie zuwenig Input.
Das mit dem zu geringen Output liegt wohl daran, dass die betreffenden Redakteure auch keine Experten auf diesem Gebiet sind und einfach nur Pressemitteilungen abschreiben. übersetzen oder verarbeiten. Und diejenigen, die diese Pressemitteilungen herausgeben, sind betriebsblind können sich oft nicht in die Lage eines Menschen versetzen, der nichts von der Materie versteht. Ein großes und verbreitetes Problem bei der Berichterstattung über technische Innovationen und physikalische Entdeckungen in den Medien. Ihre Frage, warum die Apparate solch große Dimensionen aufweisen, ist berechtigt. Bei Teilchenbeschleunigern sind es die extrem starken Magnetfelder, die erzeugt werden müssen, und die lange Beschleunigungsstrecke - aber Lichtteilchen sollten eigentlich auch im kleinen Labor kollidieren können? Vielleicht sollte man einfach mal zwei Taschenlampen gegeneinander halten und ein paar tausend Jahre abwarten, was passiert (nicht ganz ernst gemeinter Vorschlag!)
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