Ein russisches Forscherteam des Budker-Instituts für Kernphysik (BINP) in Nowosibirsk hat erstmals den Zerfall eines hochenergetischen Photons in zwei niederenergetische beobachtet. Der extrem seltene Zerfall kann in den elektrischen Feldern von Atomen stattfinden und wurde bereits vor Jahrzehnten von der Quantenfeldtheorie vorhergesagt. Darüber berichtet das Fachblatt Physical Review Letters (Band 89 Referenznummer 061802).
Die Kernphysiker um Alexander Milstein schossen in ihrem Experiment hochenergetische Gammastrahlen auf einen Kristall aus Wismut-Germanat. Das elektrische Feld der Kristallatome regte einen extrem kleinen Bruchteil der den Kristall durchquerenden Atome zum Zerfall in zwei Photonen niederer Energie an. Von den 1.6 Milliarden auf die hinter dem Kristall befindlichen Detektoren auftreffenden Photonen wiesen nur etwa vierhundert eine auf einen Zerfall hindeutende Energiebilanz auf.
Der Zerfall der Gammaphotonen läuft über einen Zwischenschritt ab, bei dem ein Photon zunächst in ein virtuelles Elektron-Positron Paar zerfällt. Dieses Paar zerstrahlt sich allerdings nicht im folgenden in ein Photon der gleichen Energie wie das ursprüngliche Photon ? vielmehr gibt einer der beiden Teilchenpartner zuerst ein Photon niederer Energie ab, bevor sich die beiden Teilchen in ein weiteres Photon zerstrahlen.
Dieser von der Quantenfeldtheorie vorhergesagte Effekt kann in den starken elektrischen Feldern von Atomen stattfinden. Physiker waren seit langem von der Existenz des Photonenzerfalls überzeugt ? allerdings ist dessen Nachweis enorm schwierig. Das russische Team hatte bereits im Jahre 1995 erste Hinweise auf eine erfolgreiche Beobachtung des Zerfalls auf mehreren Konferenzen vorgestellt, allerdings dauerte die genaue Datenanalyse fast sieben Jahre.
Der hier beschriebene Photonenzerfall ist nicht mit dem sogenannten parametrischen Zerfall von Photonen zu verwechseln, bei der ein energetisches Photon in einem nichtlinearen Kristall in zwei infrarote Photonen zerfällt. Es handelt sich hier vielmehr um ein Beispiel der Wechselwirkung eines virtuellen Teilchenpaares mit dem elektrischen Feld eines Atoms. Glücklicherweise stimmt der Ausgang des Experiments genau mit den Vorhersagungen der Quantenfeldtheorie überein. Die Forscher sind der Ansicht, dass ihre Arbeit Fachkollegen zum Nachweis anderer fundamentaler, jedoch noch nicht experimentell beobachteter Vorhersagungen der Quantenfeldtheorie ermutigen sollte.
Stefan Maier
