Erste Streuung von Licht an Licht

Nach 80 Jahren endlich nachgewiesen: Physiker haben erstmals die Streuung von Licht an Licht beobachtet – ein Phänomen, dass in der klassischen Physik als unmöglich gilt. In der Quantenphysik jedoch wurde eine solche Photonen-Wechselwirkung schon 1935 vorhergesagt. Der erste experimentelle Nachweis gelang nun bei Kollisionen von Bleikernen im Teilchenbeschleuniger LHC.

Im Gegensatz zu Materieteilchen galt für Lichtteilchen in der klassischen Physik bisher: Photonen sind füreinander unsichtbar, sie spüren sich nicht. Wenn Lichtstrahlen sich kreuzen, dürften sie sich daher nicht beeinflussen. Nach den von James Clerk Maxwell aufgestellten Gleichungen zur elektromagnetischen Strahlung darf es auch eine Streuung von Licht an Licht nicht geben.

Theoretisch möglich, aber nicht bewiesen

Doch durch die Quantenphysik änderte sich das Bild: Bereits im Jahr 1935 sagten die Physiker Werner Heisenberg und Hans Euler voraus, dass im Rahmen der Quantenelektrodynamik in ganz seltenen Fällen eine Wechselwirkung möglich sein könnte. Tatsächlich ist es Forschern inzwischen gelungen, durch geschickte Manipulation Photonen miteinander zu verkoppeln, so dass sie sich wie in einem Molekül oder einem Kristall verhalten.

„Die elastische Streuung von Licht durch Licht jedoch ließ sich bisher nicht beobachten – selbst die extrem intensiven Laserexperimente waren nicht stark genug, um dieses Phänomen zu erkunden“, erklären die Physiker der ATLAS-Kollaboration, der Forschergruppe, die am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) den Detektor ATLAS betreut.

Quantenelektrodynamische Illustration einer Bleikern-KOllision (links) und der daraus resultierenden Licht-an-Licht-Streuung. (y = Photon) © ATLAS Collaboration

Nachweis bei beinahe Kollision

Jetzt ist es den Physikern am LHC erstmals gelungen, die Licht-an-Licht-Streuung experimentell zu beweisen. Möglich wurde dies bei Kollisionen von Blei-Ionen mit einer Energie von fünf Teraelektronenvolt (TeV). Bei einigen wenigen solcher Kollisionen kommen sich Blei-Ionen nahe, zerbrechen aber nicht.

Solche „ultra-peripheren Kollisionsereignisse“ erzeugen in unmittelbarer Nähe der Bleikerne ein sehr starkes elektrisches Feld. „Diese von den kollidierenden Bleikernen erzeugten elektromagnetischen Felder können als quasirealer Strahl von Photonen betrachtet werden“, erklären die Physiker. In ganz seltenen Fällen, so die theoretische Vorhersage, können zwei dieser begleitenden Photonen aneinander gestreut werden.

13 Diphotonen-Ereignisse registriert

Die Signatur von insgesamt 13 solcher Diphotonen- Ereignisse haben die Physiker nun in den Daten des ATLAS-Detektors nachgewiesen. Wie sie berichten, liegt die Signifikanz ihrer Messergebnisse bei 4,4 Standardabweichungen. Sie entsprechen zudem genau dem, was nach den theoretischen Modellen für die Streuung von Licht an Licht zu erwarten wäre.

„Wir konnten damit zum ersten Mal einen Hinweis sehen, wie Lichtteilchen miteinander wechselwirken“ erklärt Matthias Schott von der Universität Mainz, ein Mitglied der ATLAS-Kollaboration. „Wir haben eine unglaublich schöne Messung erhalten.“ (arXiv:1702.01625, 2017)

(Johannes Gutenberg-Universität Mainz / CERN, 16.02.2017 – NPO)