Physiker ebnen den Weg, Licht in Materie zu verwandeln

E = mc². Aber es bedeutet mehr als nur, dass Masse und Energie miteinander verbunden sind, es impliziert, dass Licht physikalisch in Materie umgewandelt werden kann.

Aber kann es wirklich – physisch – getan werden? Wissenschaftler haben die Theorie vor mehr als 80 Jahren vorgeschlagen, aber erst heute haben sie den Weg geebnet, um diese Transformation routinemäßig auf der Erde durchzuführen.

Das Konzept sieht eine neue Art von Photon-Photon-Collider vor. Es klingt wie Science-Fiction, könnte aber mit vorhandener Technologie in die Realität umgesetzt werden.

"Obwohl die Theorie konzeptionell einfach ist, war es sehr schwierig, sie experimentell zu überprüfen", sagte der leitende Forscher Oliver Pike vom Londoner Imperial College in einer Pressemitteilung. „Wir konnten die Idee für den Collider sehr schnell entwickeln, aber das von uns vorgeschlagene experimentelle Design kann relativ einfach durchgeführt werden.“

1934 schlugen zwei Physiker, Gregory Breit und John Wheeler, vor, dass es möglich sein sollte, Licht in Materie umzuwandeln, indem nur zwei Photonen, die grundlegenden Lichtteilchen, zusammengeschlagen werden, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen. Es war die einfachste Methode, Licht in Materie umzuwandeln, die jemals vorhergesagt wurde, aber sie wurde im Labor nie beobachtet.

Frühere Experimente erforderten die Zugabe von massiven hochenergetischen Partikeln. Wir haben aus der Entwicklung von Atomwaffen und Spaltreaktoren gesehen, dass eine winzige Menge Materie eine enorme Menge an Energie liefern kann. Es scheint also, dass Breit und Wheelers Theorie den gegenteiligen Effekt erfordern würden: enorme Energiemengen von Photonen, um eine winzige Menge Materie zu erhalten.

Dieses Experiment wird insofern eine Premiere sein, als es nicht die Zugabe von massiven hochenergetischen Partikeln erfordert. Es wird ausschließlich aus Photonen durchgeführt.

Das Konzept sieht vor, einen hochintensiven Laser zu verwenden, um Elektronen auf knapp unter die Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und sie dann in eine Goldplatte zu zerschlagen, um einen Photonenstrahl zu erzeugen, der milliardenfach energetischer ist als sichtbares Licht. Gleichzeitig würde ein weiterer Laserstrahl auf einen Hohlraum gestrahlt – ein kleiner Goldbehälter, der auf Deutsch „leere Dose“ bedeutet -, der ein Strahlungsfeld mit darin summenden Photonen erzeugen würde.

Der anfängliche Photonenstrahl würde in die Mitte des Hohlraums gerichtet. Wenn die Photonen aus den beiden Quellen kollidieren, werden einige in Elektronen- und Positronenpaare umgewandelt. Ein Detektor würde dann die Signaturen der Materie und der Antimaterie aufnehmen, wenn sie aus dem Behälter flogen.

"Innerhalb weniger Stunden nach der Suche nach Anwendungen von Hohlräumen außerhalb ihrer traditionellen Rolle in der Fusionsenergieforschung waren wir erstaunt, dass sie die perfekten Bedingungen für die Erstellung eines Photonenkolliders bieten", sagte Pike. "Das Rennen um die Durchführung und den Abschluss des Experiments ist eröffnet!"

Die Demonstration wäre bei erfolgreicher Durchführung eine neue Art von Hochenergiephysik-Experiment. Es würde die Liste der Physiker der grundlegenden Wechselwirkungen von Licht und Materie vervollständigen und sowohl einen Prozess nachbilden, der 100 Sekunden nach dem Urknall wichtig war, als auch einen Prozess, der in Gammastrahlenausbrüchen sichtbar ist, den stärksten Explosionen im Kosmos.

Das Papier wurde in Nature Photonics veröffentlicht.

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