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CERN-Experiment beobachtet elastische Licht-Licht-Streuung

CERN-Experiment beobachtet elastische Licht-Licht-Streuung


Volker Zota

Dass Licht an Oberflächen reflektiert, absorbiert oder gestreut wird, weiß jeder. Doch unter bestimmten Umständen kann Licht auch direkt an Licht gestreut werden. Forscher des CERN sind sich ziemlich sicher, dieses Phänomen direkt beobachtet zu haben.

Nach der klassischen Maxwellschen Theorie des Elektromagnetismus kann Licht nicht an Licht gestreut werden. Doch der Wellen-Teilchen-Dualismus quantenmechanisch wechselwirkender Objekte brachte Physiker während der Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED) bereits vor über 80 Jahren auf die Idee, dass es unter bestimmten Umständen doch funktionieren müsste. Doch bisher konnte man Licht-Licht-Streuung γγ -> γγ (oder im Quasiteilchen-Jargon: elastische Photonen-Kollisionen) nur indirekt beobachten.

Licht-Licht-Streuung

Forscher am Large Hardon Collider (LHC) des europäischen Forschungszentrums CERN haben nun jedoch erste Belege für eine direkte Beobachtung von Licht-Licht-Streuung geliefert. Nature Physics veröffentlichte die im Februar eingereichten Ergebnisse des ATLAS-Experiments, das die Licht-Licht-Streuung als Nebenprodukt von Blei-Ionen-Kollisionen beobachtete, mit denen die Forscher eigentlich ein Plasma aus stark wechselwirkenden Teilchen untersuchen, wie es zu Beginn des Universums vorhanden gewesen sein müsste.

Die fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Blei-Ionen erzeugen bei ultra-peripheren Kollisionen enorm starke elektromagnetische Felder, die zur Wechselwirkung der Photonen führen können, während die Ionen selbst intakt bleiben.

Da der Wirkungsquerschnitt der Licht-Licht-Streuung sehr gering ist, erfassten die Detektoren bei vier Milliarden Ereignissen nur 13 Kandidaten, die die Wissenschaftler als elastische Photonen-Kollisionen interpretieren; die Auswertung der im Jahr 2015 absolvierten Experimente dauerte knapp zwei Jahre. Dabei mussten die Physiker unter anderem Prozesse ausschließen, die die Ergebnisse verfälschen können, etwa die Bildung von Elekron-Positron-Paaren γγ -> e+e– oder Photonenerzeugung durch Verschmelzung zweier Gluonen gg  -> γγ .

Weitere Messungen notwendig

Um sicher zu stellen, dass es sich bei den beobachteten Ereignissen tatsächlich um elastische Licht-Licht-Streuung handelt, müssen die Physiker weitere Messungen durchführen.

Die Beteiligten des Atlas-Experiments am CERN rechnen bei den nächsten Experimenten mit Blei-Ionen Ende 2018 damit, wie der stellvertretende Leiter des Experiments, Andreas Hoecker, gegenüber der dpa sagte.


(vza)