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17. Februar 2017, 12:20 Uhr

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.

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.

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.

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.

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