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Teilchenbeschleunigung

Ein mögliches Tête-à-Tête von Photonen

Von Manfred Lindinger
 - 11:43
Im LHC sollen bei der Beinahe-Kollisionen von Blei-Ionen erstmals Lichtteilchen kollidiert sein. Bild: dpa, F.A.Z.

Eine ungewöhnliche Wechselwirkung hat eine internationale Forschergruppe des europäischen Forschungszentrums Cern bei Beinahe-Kollisionen von Blei-Ionen beobachtet: Die elastische Streuung von Licht an Licht. Wie die Physiker in der Zeitschrift „Nature Physics“ (doi: 10.1038 /NPHYS4208) berichten, waren bei den Experimenten, die bereits vor zwei Jahren am großen Teilchenbeschleuniger des Cern, dem „Large Hadron Collider“ (LHC), ausgeführt wurden, energiereiche Lichtteilchen entstanden, die sich wie massive Teilchen verhielten. Anstatt sich zu ignorieren, wie man es von masselosen und ungeladenen Partikeln eigentlich erwarten würde, stießen die Photonen zusammen und änderten daraufhin ihre Flugrichtung.

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Es ist das erste Mal, dass Wissenschaftler Zeugen dieses seltenen Prozesses wurden, der nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht stattfinden kann, unter quantenphysikalischen Gesichtspunkten aber durchaus möglich ist, vorausgesetzt, die Energie und der Fluss der aufeinandertreffenden Lichtteilchen ist groß genug. Das ist wohl auch der Hauptgrund, warum die Wechselwirkung von Lichtfeldern untereinander bislang nicht direkt beobachtet werden konnte. Selbst die Energien der derzeit existierenden leistungsfähigsten Laser scheint nicht ausreichend zu sein. Das hat sich offenkundig mit dem 27 Kilometer langen LHC geändert, in dem üblicherweise Protonen, von Zeit zu Zeit aber auch Blei-Ionen, gegensinnig umlaufen und bei extrem hohen Energien zur Kollision gebracht werden.

Die Wissenschaftler machten sich bei ihren Experimenten zunutze, dass die im Beschleuniger kreisenden Blei-Ionen auch starke elektromagnetische Felder erzeugen, die man als intensiven Strahl von Lichtteilchen interpretieren kann. Werden die gegensinnig umlaufenden Ionen nun zusammengeführt, kommen sich hin und wieder – so die Idee der Cern-Physiker – auch die Photonen der elektromagnetischen Felder recht nahe. Die Chance ist dann groß, dass sie tatsächlich miteinander wechselwirken. Die Blei-Ionen dürfen dabei aber möglichst nicht frontal aufeinanderprallen, da sie sonst zerbrechen.

Wie die genaue Auswertung der im Jahr 2015 mit dem Detektor „Atlas“ gemessenen Daten ergab, hat man bei insgesamt vier Milliarden Kollisionen von Blei-Ionen dreizehn Ereignisse identifiziert, die man den gesuchten Photonen-Photonen-Stößen zuordnet. Dennoch vermeiden es die Wissenschaftler, von einer Entdeckung zu sprechen. Die Signifikanz der Messwerte beträgt nach Aussagen der am Experiment beteiligten Physiker derzeit etwas mehr als vier Sigma. Für eine anerkannte Entdeckung müsste sie mindestens fünf Sigma haben. Allerdings sei die Signifikanz auch so hoch, dass es sich bei den dreizehn Ereignissen kaum um rein statistische Fluktuationen handeln dürfte. Für eine abschließende Beurteilung werden noch mehr aussagekräftige Messwerte benötigt.

Klarheit erwartet man in anderthalb Jahren, wenn die nächsten Experimente mit energiereichen Blei-Ionen anstehen. So lange sprechen die Physiker von „starken Hinweisen“. Doch schon glauben viele Physiker des Cern, dass man auf dem Weg zu einer großen Entdeckung ist. Ob sie ähnlich spektakulär sein wird wie der Nachweis des Higgs-Teilchens vor gut fünf Jahren, wird sich also erst noch zeigen müssen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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