Am Anfang war das Licht: In den ersten Sekunden nach dem Urknall dominierte extrem energiereiche Strahlung das junge Universum. Aus diesem ersten Licht entstand auch die erste Materie. Wie, das postulierten bereits 1943 die beiden Physiker Gregory Breit und John Wheeler: Sie belegten anhand einer Gleichung, dass die Kollision zweier Photonen theoretisch ausreicht, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen – und damit Materieteilchen. Diese Breit-Wheeler-Theorie gehört heute zu den sieben grundlegenden theoretischen Vorhersagen der Quantenelektrodynamik (QED). Allerdings: Experimentell bewiesen werden konnte sie bisher nicht. Die hohen Photonendichten, die dafür nötig wären, haben bisher die Beobachtung dieser Teilchenpaar-Produktion verhindert. “Obwohl alle Physiker Breit und Wheelers Theorie als wahr akzeptierten, erwarteten sie daher nicht, dass sie jemals im Labor bewiesen werden könnte”, erklären Oliver Pike und seine Kollegen vom Imperial College London. “Aber jetzt, 80 Jahre später, zeigen wir, dass es sehr wohl geht.”
Teilchenproduktion in zwei Schritten
Die Physiker haben ein Konzept für ein Experiment entwickelt, das die Erzeugung von Materie aus Licht erstmals praktisch nachweisen kann – und das mit bereits existierender Technologie. Das Ganze funktioniert in zwei Schritten, wie sie erklären. Zunächst muss mit Hilfe von Laserlicht ein extrem energiereicher Elektronenstrahl erzeugt werden. Diese mit knapp unter Lichtgeschwindigkeit fliegenden Elektronen werden auf ein Stück massives Gold geschossen. Dabei entsteht eine Bremsstrahlung in Form von Gammastrahlung, deren Energie eine Milliarde Mal höher liegt als die des sichtbaren Lichts. Für den zweiten Schritt des Experiments benötigt man einen sogenannten Vakuum-Hohlraum – eine winzige Aushöhlung in einem weiteren Goldstück. Der Innenraum dieser Goldschale wird durch einen Hochenergie-Laser aufgeheizt, so dass darin ein ebenfalls von Photonen erfülltes Strahlungsfeld entsteht, so die Forscher. In dieses Feld wird nun der energiereiche Photonenstrahl aus dem ersten Schritt gerichtet.
Im Experiment geschieht dadurch genau das, was Breit und Wheeler voraussagten: Die Photonen des Strahls und des Feldes kollidieren und dabei entstehen jeweils Paare von Elektronen und Positronen. Sie können mit Detektoren nachgewiesen werden, wenn sie aus dem Hohlraum austreten. Wie die Forscher errechneten, reicht ein Bremsstrahl von 100 Millionen Photonen aus, um zwischen 100 und 10.000 solcher Teilchenpaare pro Schuss zu erzeugen. Die Ausbeute steige dabei linear mit der Größe des Vakuum-Hohlraums. “Aber wir erwarten schon für alle Hohlraumgrößen und Strahlenergien eine signifikante Teilchenproduktion – unser Konzept ist daher für eine breite Palette von experimentellen Parametern gültig”, betonen die Forscher.
Der große Vorteil dieses Experimentkonzepts: Keine der zugrundeliegenden Technologien muss neu erfunden oder entwickelt werden. “Das war das Überraschende für uns: Wir können Materie aus Licht erzeugen, indem wir Technologie nutzen, die wir heute längst haben”, sagt Seniorautor Steve Rose. Vakuum-Hohlräume werden bereits in der Fusionsforschung eingesetzt, unter anderem am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Energiereiche Photonenstrahlen lassen sich in speziellen Teilchenbeschleunigern, den Elektronensynchrotronen, erzeugen. “Das experimentelle Design, dass wir hier vorschlagen, kann daher relativ leicht und mit bestehenden Mitteln umgesetzt werden”, so Pike. “Das Rennen darum, dieses Experiment erstmals durchzuführen, ist hiermit eröffnet!”
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