Unmögliches möglich gemacht: Materie, erzeugt aus reinem Licht

Unsere Sonne ist eine mächtige »Licht-Maschine«. Sie demonstriert fortwährend, wie Materie in Energie verwandelt werden kann, ganz nach Einsteins berühmtester Formel. Jeder hat sie schon einmal gesehen oder von ihr gehört: E = mc². Eine einfache Formel, die unsere Welt veränderte. Energie gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat! Schon die kleinste Masse kann also eine gigantische Energiemenge freisetzen. Jede Nuklearbombe demonstriert das auf die wohl traurigste Art und Weise.

Dann doch lieber noch einen Blick auf die Sonne geworfen: Sie schafft es, in jeder Sekunde rund 597 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 593 Millionen Tonnen Helium zu »verbrennen«. Die vier Millionen Tonnen Differenz sind pure Energie. In diese Richtung funktioniert die Geschichte also eindeutig und nachvollziehbar. Masse wird zur Energie. Nur mit dem umgekehrten Weg hatte die Physik in der Praxis so ihre Probleme.

Zumindest rein theoretisch aber klappt auch das. Vor ziemlich genau 80 Jahren, 1934, tüftelten die beiden US-Physiker Gregory Breit und John Archibald Wheeler an einem Konzept, aus dem schließlich hervorging, dass Paare von »Lichtteilchen« oder Photonen sich in sehr seltenen Fällen in Elektronen oder Positronen umwandeln konnten.

Rein theoretisch eben. Um die Praxis allerdings schien es schlecht bestellt. Kaum jemand zweifelte an der Richtigkeit der Idee, doch niemand glaubte daran, dass sie im Experiment gelingen würde. Britische Forscher sind mittlerweile überzeugt, nun eine Lösung gefunden zu haben. Zunächst auch noch auf dem Papier. Deshalb sucht Steve Rose, theoretischer Physiker amImperial College London, jetzt auch nach Experimentalphysikern, die den Versuch wagen wollen. Professor Rose: »Was uns so überraschte, war die Entdeckung, wie wir Materie unter Nutzung der heute schon in Großbritannien verfügbaren Technologie direkt aus Licht schaffen können. Da wir Theoretiker sind, unterhalten wir uns nun mit anderen, die unsere Gedanken nutzen können, um dieses grundlegende Experiment durchzuführen.«

Die an der Studie beteiligten Physiker bezeichnen die Möglichkeit, Materie aus Licht zu erzeugen, als eine der beeindruckendsten Vorhersagen der Quantenelektrodynamik. Verschiedene experimentelle Ergebnisse wurden bereits früher beschrieben, allerdings ging das nicht ohne Ausgangsmaterie vonstatten. Sie wirkte wie ein Katalysator.

So gelang 1999 am kalifornischen Stanford Linear Accelerator Center der Nachweis einer Variante des Breit-Wheeler-Effekts durch Beschuss von Elektronen mit Photonen aus einem Hochenergie-Laser. Tatsächlich erfolgte eine Paarbildung.

Doch der einfachste Prozess, bei dem reines Licht in Materie verwandelt wird, konnte im Labor zu keiner Zeit beobachtet werden. Den Vorgang kürzen Physiker mit »γγ' → e⁺ e^-« ab. Er ist nichts anderes als das Gegenteil einer Dirac-Annihilation (Paarvernichtung): Materie und Antimaterie treffen aufeinander und zerstrahlen in einem Lichtblitz: e⁺ e^- → γγ'.

Oliver J. Pike sieht in der 1934 postulierten Materieerzeugung eine der reinsten Darstellungen der weltbekannten Einstein-Formel. Die Londoner Wissenschaftler haben nun eine Maschine im Sinn, die sie als neue Klasse eines Photon-Photon-Colliders bezeichnen. Darin werden hochenergetische Lichtpartikeln auf Kollisionskurs gelenkt. Ein extrem leistungsfähiger Laser bringt zunächst Elektronen auf Lichtgeschwindigkeit. Diese Elektronen prallen auf eine feste »Zielscheibe« aus Gold, wobei Bremsstrahlung entsteht – was stets bei einer Geschwindigkeitsänderung von Elektronen passiert.

Im vorliegenden Fall senden die gestreuten, »ultra-relativistischen« Elektronen Gammastrahlung aus, die anschließend in einen Vakuum-Hohlraum geleitet wird. In diesem ebenfalls aus Gold bestehenden, kleinen Behälter erzeugt ein Hochenergie-Laser an der inneren Oberfläche thermische Strahlung. Wie bei einem Stern wird also Licht frei.

Der Photonenstrahl aus dem ersten Abschnitt des Versuchs wird durch die Mitte des Behälters geschossen und stößt nun auf das Strahlungsfeld. Energiereiche Photonen aus zweiunterschiedlichen Quellen treffen hier aufeinander. Am Kollisionsort bilden sich Elektronen und Positronen – für uns unsichtbare Materie, aber eben doch Materie!

Fundierte Abschätzungen über die Effektivität des Vorgangs ergeben, dass ein einziger Schuss immerhin 100 000 Breit-Wheeler-Paare zu erzeugen imstande ist. Damit aber wirklich Materie aus dem Photonenfeld entsteht, muss die Aufprallenergie mindestens die doppelte Ruhemassenenergie des Elektrons erreichen. Die hohe erforderliche Photonendichte hat bislang die Beobachtung von Breit-Wheeler-Paar-Erzeugung ausgeschlossen.

In diesem Zusammenhang weisen die britischen Physiker darauf hin, dass daher ein experimenteller Nachweis dieses elementaren elektrodynamischen Vorgangs nicht stattgefunden habe, eines Prozesses, der für die Hochenergie-Astrophysik von fundamentaler Bedeutung sei. Innerhalb der nächsten zwölf Monate sollte ein erfolgreicher Versuch mit der gepulsten Bremsstrahlung möglich werden, so hoffen die Experten.

Zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Kernphysik veröffentlichten die britischen Forscher ihre Ergebnisse am 18. Mai im Fachblatt Nature Photonics und zeigen erstmals auf, wiedie Breit-Wheeler-Theorie in der Praxis bewiesen werden könnte. Ein Photon-Photon-Collider der beschriebenen Art liege im Bereich des heute technisch Machbaren und würde unter anderem auch Einblicke in jene kosmische Ära der ersten 100 Sekunden nach dem »Urknall« bieten, dem vermuteten Anfang der Welt.

Auch die größten Explosionen, die von Astronomen derzeit im Universum beobachtet werden, die rätselhaften Gammastrahlen-Blitze (Gamma Ray Bursts, GRBs), könnten vielleicht durch die neuen Forschungen verständlicher werden. Und wer weit in die Zukunft der menschlichen Technologie blickt, sieht vor seinem geistigen Auge dann möglicherweise auch Materie-Maschinen, die Energie direkt aus dem Kosmos beziehen und mit riesigen 3D-Printern verbunden sind, ihrerseits versehen mit Blaupausen, um sogar Fahrzeuge und komplette Häuser »auszudrucken«. Was war nicht schon alles »Utopie« und wurde dann wahr?