Materie aus purem Licht erzeugt

Studie demonstriert einen seit langem vorhergesagten Prozess zur Erzeugung von Materie direkt aus Licht – sowie den Nachweis, dass Magnetismus polarisierte Photonen im Vakuum auf unterschiedliche Pfade lenken kann

Aus Licht wird Materie: Zwei Gold (Au)-Ionen (rot) bewegen sich in entgegengesetzter Richtung mit 99,995 % der Lichtgeschwindigkeit (v, für velocity, = etwa c, die Lichtgeschwindigkeit). Wenn die Ionen aneinander vorbeifliegen, ohne zu kollidieren, können zwei Photonen (γ) aus der elektromagnetischen Wolke, die die Ionen umgibt, miteinander wechselwirken und ein Materie-Antimaterie-Paar erzeugen: ein Elektron (e-) und ein Positron (e+).

UPTON, NY-Wissenschaftler, die Teilchenkollisionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) untersuchen – einer Einrichtung des U.S. Department of Energy Office of Science für kernphysikalische Forschung am Brookhaven National Laboratory des DOE – haben den endgültigen Beweis für zwei physikalische Phänomene erbracht, die vor mehr als 80 Jahren vorhergesagt wurden. Die Ergebnisse stammen aus einer detaillierten Analyse von mehr als 6.000 Elektronen- und Positronenpaaren, die durch sich streifenden Teilchen am RHIC erzeugt wurden, und in Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Die wichtigste Erkenntnis ist, dass Elektronen- und Positronenpaare – Teilchen aus Materie und Antimaterie – direkt durch die Kollision sehr energiereicher Photonen, also Quanten-„Pakete“ aus Licht, erzeugt werden können. Diese Umwandlung von energetischem Licht in Materie ist eine direkte Folge von Einsteins berühmter Gleichung E=mc², die besagt, dass Energie und Materie (oder Masse) austauschbar sind. Kernreaktionen in der Sonne und in Kernkraftwerken wandeln regelmäßig Materie in Energie um. Nun haben Wissenschaftler in einem einzigen Schritt Lichtenergie direkt in Materie umgewandelt.

Das zweite Ergebnis zeigt, dass sich der Weg des Lichts, das ein Magnetfeld im Vakuum durchläuft, je nach Polarisation unterschiedlich krümmt. Eine solche polarisationsabhängige Ablenkung (bekannt als Doppelbrechung) tritt auf, wenn das Licht durch bestimmte Materialien wandert. (Dieser Effekt ähnelt der Art und Weise, wie die wellenlängenabhängige Ablenkung weißes Licht in Regenbögen aufspaltet.) Dies ist jedoch der erste Nachweis der polarisationsabhängigen Lichtbeugung im Vakuum.

Beide Ergebnisse hängen von der Fähigkeit des STAR-Detektors (Solenoid Tracker am RHIC) ab, die Winkelverteilung von Teilchen zu messen, die bei Streifkollisionen von Goldionen entstehen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Kollidierende Photonenwolken

Solche Möglichkeiten gab es nicht, als die Physiker Gregory Breit und John A. Wheeler 1934 erstmals die hypothetische Möglichkeit beschrieben, durch die Kollision von Lichtteilchen Paare von Elektronen und ihren Antimaterie-Gegenstücken, den so genannten Positronen, zu erzeugen.

„Breit und Wheeler erkannten bereits in ihrem Aufsatz, dass dies fast unmöglich ist“, so Zhangbu Xu, Physiker am Brookhaven Lab und Mitglied der STAR Collaboration am RHIC. „Laser gab es damals noch gar nicht! Aber Breit und Wheeler schlugen eine Alternative vor: die Beschleunigung schwerer Ionen. Und ihre Alternative ist genau das, was wir am RHIC machen.“

Ein Ion ist im Grunde ein nacktes Atom, das seiner Elektronen beraubt wurde. Ein Goldion mit 79 Protonen trägt eine starke positive Ladung. Wenn man ein solches geladenes schweres Ion auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, wird ein starkes Magnetfeld erzeugt, das sich spiralförmig um das sich bewegende Teilchen legt – wie Strom, der durch einen Draht fließt.

„Wenn die Geschwindigkeit hoch genug ist, kann die Stärke des kreisförmigen Magnetfeldes gleich der Stärke des senkrechten elektrischen Feldes sein“, so Xu. Und diese Anordnung von senkrechten elektrischen und magnetischen Feldern gleicher Stärke ist genau das, was ein Photon ist – ein quantisiertes „Teilchen“ aus Licht. „Wenn sich die Ionen also nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, gibt es einen Haufen Photonen, die den Goldkern umgeben und sich mit ihm wie eine Wolke bewegen.“

Am RHIC beschleunigen die Wissenschaftler Goldionen in zwei Beschleunigerringen auf 99,995 % der Lichtgeschwindigkeit.

„Wir haben zwei Photonenwolken, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, und zwar mit so viel Energie und Intensität, dass diese Photonenfelder miteinander wechselwirken können, wenn die beiden Ionen aneinander vorbeiziehen, ohne zu kollidieren“, so Xu.

Die STAR-Physiker verfolgten die Wechselwirkungen und suchten nach den vorhergesagten Elektron-Positron-Paaren.

Solche Teilchenpaare können jedoch durch eine Reihe von Prozessen am RHIC erzeugt werden, unter anderem durch „virtuelle“ Photonen, einen Photonenzustand, der nur kurzzeitig existiert und eine effektive Masse hat. Um sicher zu sein, dass die Materie-Antimaterie-Paare von echten Photonen stammen, müssen die Wissenschaftler nachweisen, dass der Beitrag der „virtuellen“ Photonen das Ergebnis des Experiments nicht verändert.

Zu diesem Zweck analysierten die STAR-Wissenschaftler die Winkelverteilungsmuster jedes Elektrons im Verhältnis zu seinem Positronpartner. Diese Muster unterscheiden sich bei Paaren, die durch echte Photonenwechselwirkungen erzeugt werden, von denen mit virtuellen Photonen.

„Wir haben auch alle Energie- und Massenverteilungen sowie die Quantenzahlen der Systeme gemessen. Sie stimmen mit den theoretischen Berechnungen überein, was mit echten Photonen passieren würde“, sagt Daniel Brandenburg, Goldhaber Fellow am Brookhaven Lab, der die STAR-Daten zu dieser Entdeckung analysierte.

Andere Wissenschaftler haben versucht, Elektron-Positron-Paare aus Lichtkollisionen mit Hilfe von leistungsstarken Lasern zu erzeugen, die intensive Lichtstrahlen bündeln. Aber die einzelnen Photonen in diesen intensiven Strahlen haben noch nicht genug Energie, so Brandenburg.

Einem Experiment am SLAC National Accelerator Laboratory im Jahr 1997 gelang dies mit Hilfe eines nichtlinearen Prozesses. Die Wissenschaftler dort mussten zunächst die Energie der Photonen in einem Laserstrahl erhöhen, indem sie ihn mit einem starken Elektronenstrahl kollidieren ließen. Die Kollisionen der verstärkten Photonen mit mehreren Photonen gleichzeitig in einem enormen elektromagnetischen Feld, das von einem anderen Laser erzeugt wurde, erzeugten Materie und Antimaterie.

„Unsere Ergebnisse sind ein klarer Beweis für die direkte, einstufige Erzeugung von Materie-Antimaterie-Paaren aus Lichtkollisionen, wie sie ursprünglich von Breit und Wheeler vorhergesagt wurde“, so Brandenburg. „Dank des hochenergetischen Schwerionenstrahls von RHIC und der großen Akzeptanz und Präzision des STAR-Detektors sind wir in der Lage, alle kinematischen Verteilungen mit hoher Statistik zu analysieren, um festzustellen, dass die experimentellen Ergebnisse tatsächlich mit echten Photonenkollisionen übereinstimmen.“

Biegen von Licht im Vakuum

Die Fähigkeit von STAR, die winzigen Ablenkungen von Elektronen und Positronen zu messen, die bei diesen Ereignissen fast Rücken an Rücken erzeugt werden, gab den Physikern auch die Möglichkeit zu untersuchen, wie Lichtteilchen mit den starken Magnetfeldern wechselwirken, die von den beschleunigten Ionen erzeugt werden.

„Die Photonenwolke, die die Goldionen in einem der RHIC-Strahlen umgibt, schießt in das starke kreisförmige Magnetfeld, das von den beschleunigten Ionen im anderen Goldstrahl erzeugt wird“, erklärt Chi Yang, ein langjähriger STAR-Mitarbeiter von der Universität Shandong, der seine gesamte Karriere mit der Untersuchung von Elektron-Positron-Paaren verbracht hat, die bei verschiedenen Prozessen am RHIC entstehen. „Wenn wir uns die Verteilung der Teilchen ansehen, die herauskommen, erfahren wir, wie polarisiertes Licht mit dem Magnetfeld wechselwirkt.“

Beugung von polarisiertem Licht: Diese Abbildung zeigt, wie Licht mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen (durch schwarze Pfeile gekennzeichnet) ein Material auf zwei verschiedenen Wegen (gelbe Strahlen) durchquert. Dies wird als Doppelbrechungseffekt bezeichnet. Die Ergebnisse des RHIC zeigen, dass die Doppelbrechung auch in einem Magnetfeld im Vakuum auftritt.

Werner Heisenberg und Hans Heinrich Euler im Jahr 1936 sowie John Toll in den 1950er Jahren sagten voraus, dass ein Vakuum aus leerem Raum durch ein starkes Magnetfeld polarisiert werden kann und dass ein solches polarisiertes Vakuum die Wege der Photonen in Abhängigkeit von der Photonenpolarisation ablenken sollte. Toll beschrieb in seiner Dissertation auch, wie die Lichtabsorption durch ein Magnetfeld von der Polarisation und ihrem Zusammenhang mit dem Brechungsindex des Lichts im Vakuum abhängt. Diese polarisationsabhängige Ablenkung, die so genannte Doppelbrechung, wurde bei vielen Kristallarten beobachtet. Kürzlich wurde auch berichtet, dass das Licht eines Neutronensterns auf diese Weise abgelenkt wird, vermutlich aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Sterns. Aber kein Experiment auf der Erde hat eine Doppelbrechung im Vakuum nachgewiesen.

Am RHIC haben die Wissenschaftler gemessen, wie sich die Polarisation des Lichts darauf auswirkt, ob das Licht vom Magnetfeld „absorbiert“ wird.

Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie polarisierte Sonnenbrillen bestimmte Strahlen blockieren, wenn sie nicht mit der Polarisation der Gläser übereinstimmen, erklärte Yang. Im Fall der Sonnenbrille könnte man nicht nur weniger Licht durchlassen, sondern im Prinzip auch einen Anstieg der Temperatur des Linsenmaterials messen, da es die Energie des blockierten Lichts absorbiert. Beim RHIC ist es die absorbierte Lichtenergie, die die Elektron-Positron-Paare erzeugt.

„Wenn wir uns die Produkte ansehen, die durch Photonen-Photonen-Wechselwirkungen am RHIC entstehen, sehen wir, dass die Winkelverteilung der Produkte vom Polarisationswinkel des Lichts abhängt. Dies deutet darauf hin, dass die Absorption (oder der Durchgang) von Licht von seiner Polarisation abhängt“, so Yang.

Dies ist die erste experimentelle Beobachtung auf der Erde, dass die Polarisation die Wechselwirkungen des Lichts mit dem Magnetfeld im Vakuum beeinflusst – die Vakuum-Doppelbrechung, die 1936 vorhergesagt wurde.

„Beide Erkenntnisse beruhen auf den Vorhersagen einiger großer Physiker aus dem frühen 20. Jahrhundert“, sagte Frank Geurts, Professor an der Rice University, dessen Team die hochmodernen „Time-of-Flight“-Detektorkomponenten von STAR gebaut und betrieben hat, die für diese Messung erforderlich waren. „Sie basieren auf grundlegenden Messungen, die erst vor kurzem mit den Technologien und Analyseverfahren, die wir am RHIC entwickelt haben, möglich wurden.“

An den Analysen, die zu diesen Ergebnissen führten, waren auch die STAR-Ko-Sprecherin Lijuan Ruan aus Brookhaven, Shuai Yang von der Rice University, Janet Seger von der Creighton University und Wangmei Zha von der University of Science and Technology of China beteiligt. Die Wissenschaftler nutzten die Rechenressourcen des Scientific Data and Computing Center in Brookhaven, des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) am Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE und des Open Science Grid Konsortiums.

Die Rolle des Brookhaven Labs bei der Arbeit und dem Betrieb des RHIC wird durch das DOE Office of Science (NP) unterstützt. Zu den weiteren Geldgebern gehören die U.S. National Science Foundation und eine Reihe internationaler Organisationen, die in dem veröffentlichten Papier aufgeführt sind.

Das Brookhaven National Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelunterstützer der physikalischen Grundlagenforschung in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Lösung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter https://www.energy.gov/science/.