Laser als Antimaterie-Produzent?

Positronen aus dem Laser? Physiker haben eine Möglichkeit entdeckt, Antimaterie durch extrem energiereiche Laserstrahlen zu erzeugen. Quantenphysikalische Effekte führen dazu, dass an der Kontaktstelle von Laser und einer Metallfolie Gammastrahlen-Photonen entstehen. Diese zerfallen unter Einfluss des extremem Laserfelds zu Elektronen und Positronen. Allerdings: Bisher klappt das Ganze nur in einer Simulation.

Antimaterie ist überall: Sie regnet aus dem Weltall auf uns herab, wird bei radioaktiven Zerfällen im Untergrund frei und entsteht sogar in unserem Körper. Doch all diese Positronen und sonstigen Antiteilchen werden sofort wieder durch Kontakt mit normaler Materie ausgelöscht. Antimaterie gezielt so herzustellen, dass sie erhalten bleibt, gelingt bisher nur mit enormem Aufwand in Teilchenbeschleunigern – und das nur in winzigsten Mengen.

Wechselwirkung von Licht und Materie

Doch es könnte eine Alternative geben, wie Igor Kostyukov und Evgeny Nerush von der Russischen Akademie der Wissenschaften herausfanden. Sie haben in Berechnungen und Simulationen untersucht, was passiert, wenn ein energiereicher Laserstrahl von mehr als zehn hoch 24 Watt pro Quadratzentimeter auf eine Metallfolie trifft. Das entspricht in etwa der Intensität des gesamten auf der Erde eintreffenden Sonnenlichts, fokussiert auf nur ein Sandkorn.

„Bei diesen hohen Laserintensitäten beginnen Effekte der Quantenelektrodynamik (QED) eine Rolle zu spielen“, erklären die Physiker. Diese beschreibt Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Materie, durch die beispielsweise aus Energie Teilchen entstehen können – frei nach Einsteins berühmter Formel E=mc2.

Bildung von Elektronen und Positronen

Im Falle des Laserexperiments sorgt der starke Laserstrahl dafür, dass die Elektronen der Metallfolie energiereiche Gammastrahlen-Photonen abgeben. Diese Photonen wiederum interagieren mit dem Laserfeld und kollidieren auch miteinander, wie die Forscher erklären. Bei diesen Kollisionen können nach dem 1934 postulierten Breit-Wheeler-Effekt Paare von Elektronen und Positronen entstehen – und damit Antimaterie.

Verteilung von Laserintensität (orange), den Elektronen und Ionen der Folie (grau) und der Positronen (rot) © IAP RAS

Das Interessante daran: Wie Kostyukov und Nerush herausfanden, kann sich daraus eine ganze Kettenreaktion bilden – eine sogenannte QED-Kaskade. „Es beginnt mit einer Beschleunigung der Elektronen und Positronen im Laserfeld“, erklärt Kostyukov. Dadurch geben diese Teilchen nun ihrerseits energiereiche Photonen ab, die wiederum zu Materie-Antimaterie-Paaren umgewandelt werden. „Das führt zu einem exponentiellen, sehr steilen Anstieg der Anzahl von Positronen“, berichtet Kostyukov.

Räumliche Trennung

An der Kontaktstelle des Laserstrahls mit der Folie kommt es dabei zu einer räumlichen Trennung von Photonen, Elektronen und Positronen, wie die Physiker in ihrer Simulation feststellten: Die Positronen sammeln sich in einer hauchdünnen Schicht zwischen einem Kissen aus Elektronen und dem Laserstrahl. Je nach Energie des Lasers ist diese Positronenschicht entweder glatt oder bildet eine helixartige Spirale.

Nach Ansicht der Forscher können solche lasergenerierten QED-Kaskaden wertvolle Einblicke in die Wechselwirkung von Licht und Materie bei hohen Energien liefern. „Praktische Anwendungen dieser Wechselwirkungen könnten beispielsweise neue Ideen für Laserquellen von Hochenergie-Photonen oder von Positronen sein“, sagt Kostyukov.

Ob allerdings mit Hilfe solcher Laserexperimente eines Tages tatsächlich Antimaterie erzeugt werden kann, bleibt fraglich. Zwar gibt es inzwischen Laser, deren Intensität an die des hier simulierten Lasers heranreichen. Aber sie halten diese Leistung nur wenige Sekundenbruchteile aufrecht. Unklar bleibt zudem, ob und wie man die Positronen ohne Auslöschung aus dem Strahlengang herausbekommen könnte. (Physics of Plasmas, 2016; doi: 10.1063/1.4962567)

(American Institute of Physics (AIP), 28.09.2016 – NPO)