Lichtteilchen: Und sie kollidieren doch!

Das Unmögliche wird nachweisbar: Noch nie wurde bisher beobachtet, dass zwei Lichtteilchen kollidieren und dann auseinanderschießen können wie zwei Billardkugeln. Doch jetzt haben Physiker herausgefunden, dass diese extrem seltenen und exotischen Ereignisse im Teilchenbeschleuniger am CERN ablaufen – und damit entgegen bisherigen Annahmen schon bald nachgewiesen werden könnten.

Der gängigen Theorie nach sind die Photonen des Lichts Einzelgänger: Sie besitzen keine Masse und beeinflussen sich auch nicht gegenseitig. Zwei Laserstrahlen können sich deshalb kreuzen, ohne merklich gestreut zu werden. Inzwischen weiß man jedoch, dass es bestimmte Bedingungen gibt, unter denen Photonen über Quantenprozesse doch miteinander interagieren.

Was aber geschieht, wenn zwei Photonen kollidieren? Rein theoretisch kann es sogenannte elastische Kollisionen geben, bei denen die Lichtteilchen wieder auseinanderspringen wie zwei Billardkugeln nach dem Zusammenstoß. Doch beobachtet werden konnte dieser Prozess bisher noch nie. Es galt sogar als nahezu unmöglich, solche Kollisionen zu verursachen, weil selbst die stärksten Lichtquellen nicht einmal ansatzweise energiereich genug sind.

Blick in den Tunnel des LHC © Maximilien Brice/ CERN

Photonenkollisionen im LHC

Jetzt jedoch belegt eine Analyse von Mariola Klusek-Gawenda und ihren Kollegen von der polnischen Akademie der Wissenschaften, dass solche Photonenkollisionen im größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf, vorkommen könnten – und dass man sie dort sogar schon bald nachweisen könnte.

Für ihre Studie berechneten die Forscher die Bahnen von Teilchen, die entstehen, wenn Bleikerne im LHC entstehen sich nur leicht streifen. „Die großen elektrischen Ladungen in den Bleikernen können dann zur Bildung von Photonen führen“, erklärt Klusek-Gawenda. „Wenn dieser Prozess in zwei nahe vorbeifliegenden Kernen stattfindet, hat das von einem Kern erzeugte Photon die Chance, mit dem des zweiten Kerns zu kollidieren.“

Nachweis innerhalb der nächsten Jahre

Wie die Forscher feststellten, ist die Wahrscheinlichkeit und Häufigkeit solcher Ereignisse zwar klein, aber nicht gleich null. Die bei diesen elastischen Kollisionen auseinanderschießende Photonen könnten anhand ihrer Flugbahnen von den großen Detektoren des Beschleunigers registriert und aus der Vielzahl der anderen Ereignisse herausgefiltert werden, wie die Physiker erklären.

„Alles spricht dafür, dass diese Kollisionen beobachtet und nachgewiesen werden können“, so Klusek-Gawenda. Ihrer Ansicht nach könnte dies schon innerhalb der nächsten Jahre der Fall sein. Der Nachweis solcher lange als unbeobachtbar geltender elastischer Kollisionen von Photonen wäre nicht nur ein großer Fortschritt für die Physik, er könnte auch bisher unbekannte Quantenprozesse enthüllen, die zwischen Lichtteilchen ablaufen. (Physical Review C, 2016; doi: 10.1103/PhysRevC.93.044907)

(The Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 23.05.2016 – NPO)