Simulation der Entstehung von Materie durch Photon-Photon-Kollisionen

Ein Team unter der Leitung von Forschern der Universität Osaka und der University of California in San Diego hat Simulationen zur Entstehung von Materie ausschließlich durch Kollisionen von Lichtteilchen durchgeführt. Ihre Methode umgeht die Intensitätsbeschränkungen moderner Laser und kann mit der derzeit verfügbaren Technologie problemlos implementiert werden. Diese Arbeit könnte dazu beitragen, langjährige Theorien wie das Standardmodell der Teilchenphysik experimentell zu testen und möglicherweise die Notwendigkeit einer Überarbeitung dieser Theorien zu erkennen.

Eine der verblüffendsten Vorhersagen der Quantenphysik ist, dass Materie ausschließlich aus Licht (also Photonen) erzeugt werden kann, und tatsächlich gelingt dies den als Pulsare bekannten astronomischen Körpern. Die direkte Erzeugung von Materie auf diese Weise ist in einem Labor noch nicht gelungen, würde aber eine weitere Prüfung der Theorien der grundlegenden Quantenphysik und der grundlegenden Zusammensetzung des Universums ermöglichen.

In einer Studie veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung, hat ein Team unter der Leitung von Forschern der Universität Osaka Bedingungen simuliert, die Photon-Photon-Kollisionen ermöglichen, und zwar ausschließlich durch den Einsatz von Lasern. Die Einfachheit des Aufbaus und die einfache Implementierung bei derzeit verfügbaren Laserintensitäten machen es zu einem vielversprechenden Kandidaten für die experimentelle Implementierung in naher Zukunft.

Die Photon-Photon-Kollision gilt theoretisch als grundlegendes Mittel zur Entstehung von Materie im Universum und ergibt sich aus Einsteins bekannter Gleichung E=mc2. Tatsächlich haben Forscher indirekt Materie aus Licht erzeugt: durch Hochgeschwindigkeitsbeschleunigung von Metallionen wie Gold ineinander. Bei so hohen Geschwindigkeiten ist jedes Ion von Photonen umgeben und beim Vorbeistreifen aneinander entstehen Materie und Antimaterie.

Die experimentelle Herstellung von Materie in modernen Laboratorien allein durch den Einsatz von Laserlicht ist jedoch aufgrund der erforderlichen Laser mit extrem hoher Leistung eine Herausforderung. Die Simulation, wie dieses Kunststück in einem Labor erreicht werden könnte, könnte zu einem experimentellen Durchbruch führen, und genau das haben sich die Forscher vorgenommen.

„Unsere Simulationen zeigen, dass sich dichtes Plasma bei Wechselwirkung mit den intensiven elektromagnetischen Feldern des Lasers selbst organisieren kann, um einen Photon-Photon-Kollider zu bilden“, erklärt Dr. Sugimoto, Hauptautor der Studie. „Dieser Collider enthält eine dichte Population von Gammastrahlen, zehnmal dichter als die Elektronendichte im Plasma und deren Energie eine Million Mal größer ist als die Energie der Photonen im Laser.“

Photon-Photon-Kollisionen im Collider erzeugen Elektron-Positron-Paare, und die Positronen werden durch ein vom Laser erzeugtes elektrisches Plasmafeld beschleunigt. Dadurch entsteht ein Positronenstrahl.

„Dies ist die erste Simulation der Beschleunigung von Positronen aus dem linearen Breit-Wheeler-Prozess unter relativistischen Bedingungen“, sagt Prof. Arefiev, Mitautor von UCSD. „Wir glauben, dass unser Vorschlag experimentell umsetzbar ist, und wir freuen uns auf die praktische Umsetzung.“

Dr. Vyacheslav Lukin, Programmdirektor bei der US National Science Foundation, die die Arbeit unterstützt hat, sagt: „Diese Forschung zeigt einen möglichen Weg, die Geheimnisse des Universums in einer Laborumgebung zu erforschen. Die zukünftigen Möglichkeiten bei heutigen und zukünftigen Hochleistungssystemen.“ Laseranlagen sind jetzt noch faszinierender geworden.

Anwendungen dieser Arbeit auf die fiktive Materie-Energie-Umwandlungstechnologie von Star Trek bleiben genau das: Fiktion. Dennoch hat diese Arbeit das Potenzial, Theorien über die Zusammensetzung des Universums experimentell zu bestätigen oder vielleicht sogar zur Entdeckung bisher unbekannter Physik beizutragen.