E=mc² wird lebendig: Simulation der Materieerzeugung aus Laserlicht

von Klaus Müller
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Photon-Photon Collisions

Die Forscher der Universität Osaka haben Simulationen durchgeführt, um die Möglichkeit zu veranschaulichen, aus Laserlicht Materie zu erzeugen, eine bedeutende Entwicklung auf dem Gebiet der Quantenphysik. Dieser Fortschritt hat das Potenzial, Einblicke in die Zusammensetzung des Universums zu liefern und neue Prinzipien in der Physik aufzudecken.

Das Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Osaka und der UC San Diego nutzte Simulationen, um die experimentelle Erzeugung von Materie aus Licht zu demonstrieren, ein Konzept, das tief in der Quantenphysik verwurzelt ist. Während dieses Phänomen bei astronomischen Objekten wie Pulsaren auftritt, ist eine Nachbildung in einer Laborumgebung bislang schwer zu erreichen. Allerdings würde die Erlangung einer solchen Materieerzeugung aus Licht die Tür zu einer umfassenden Prüfung grundlegender Theorien der Quantenphysik und unseres Verständnisses der grundlegenden Struktur des Universums öffnen.

Ihre kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichte Studie beschreibt detailliert die Simulation von Bedingungen, unter denen Photon-Photon-Kollisionen mithilfe von Lasern auftreten. Die Einfachheit des Versuchsaufbaus gepaart mit seiner Kompatibilität mit derzeit verfügbaren Laserintensitäten macht ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für die praktische Umsetzung in naher Zukunft.

Photon-Photon-Kollisionen, die theoretisch einen grundlegenden Mechanismus für die Materiebildung im Universum darstellen, gehen auf Einsteins berühmte Gleichung E=mc² zurück. Forscher haben bisher indirekt Materie aus Licht erzeugt, indem sie Metallionen wie Gold mit extrem hohen Geschwindigkeiten beschleunigten, was bei der Wechselwirkung zur Bildung von Materie und Antimaterie führte. Die experimentelle Materieerzeugung allein mit Laserlicht war jedoch aufgrund der außergewöhnlich leistungsstarken Laser, die erforderlich waren, eine Herausforderung. Deshalb machten sich die Forscher daran, diesen Prozess zu simulieren, um den Weg für experimentelle Durchbrüche zu ebnen.

Ihre Simulationen zeigen, dass sich dichtes Plasma, wenn es den intensiven elektromagnetischen Feldern von Lasern ausgesetzt wird, selbst zu einem Photon-Photon-Kollider organisieren kann. Dieser Collider enthält eine hohe Konzentration an Gammastrahlen, die die Dichte der Elektronen im Plasma um das Zehnfache übersteigt und ein Energieniveau besitzt, das eine Million Mal höher ist als das der Photonen des Lasers.

Im Photon-Photon-Kollider erzeugen Kollisionen zwischen Photonen Elektron-Positron-Paare, wobei die Positronen anschließend durch ein vom Laser erzeugtes elektrisches Plasmafeld beschleunigt werden. Dies führt zur Erzeugung eines Positronenstrahls, was an sich schon eine bedeutende Errungenschaft darstellt.

Professor Arefiev, ein Co-Autor der UCSD, betont, dass diese Simulation das erste Beispiel einer Positronenbeschleunigung durch den linearen Breit-Wheeler-Prozess unter relativistischen Bedingungen darstellt, und betont ihre experimentelle Machbarkeit.

Dr. Vyacheslav Lukin, Programmdirektor der US National Science Foundation, die die Forschung unterstützt hat, unterstreicht das Potenzial dieser Arbeit, die Geheimnisse des Universums in einer Laborumgebung, insbesondere in Hochleistungslaseranlagen, zu erforschen.

Auch wenn diese Forschung uns der fiktiven Materie-Energie-Umwandlungstechnologie von Star Trek vielleicht noch nicht näher bringt, verspricht sie, unser Verständnis der Zusammensetzung des Universums experimentell zu bestätigen und möglicherweise bisher unbekannte Facetten der Physik aufzudecken.

Referenz: „Positronenerzeugung und -beschleunigung in einem selbstorganisierten Photonenkollider, aktiviert durch einen ultraintensiven Laserpuls“ von K. Sugimoto, Y. He, N. Iwata, IL. Yeh, K. Tangtartharakul, A. Arefiev und Y. Sentoku, 9. August 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.065102

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Photon-Photon-Kollisionen

Was ist die wichtigste Errungenschaft der Forscher der Universität Osaka in dieser Studie?

Die wichtigste Errungenschaft der Forscher der Universität Osaka ist die Simulation von Bedingungen, die Photon-Photon-Kollisionen mithilfe von Lasern ermöglichen und möglicherweise den Weg für die Erzeugung von Materie aus Licht in Laborumgebungen ebnen.

Warum ist die Erzeugung von Materie aus Licht für die Quantenphysik von Bedeutung?

Die Erzeugung von Materie aus Licht ist bedeutsam, weil sie mit einer der bemerkenswertesten Vorhersagen der Quantenphysik übereinstimmt. Es bietet die Möglichkeit, grundlegende Theorien über die Zusammensetzung des Universums und die Prinzipien der Quantenphysik zu testen.

In welcher Beziehung stehen Photon-Photon-Kollisionen zu Einsteins Gleichung E=mc²?

Es wird angenommen, dass Photon-Photon-Kollisionen ein grundlegendes Mittel zur Erzeugung von Materie sind. Dieses Konzept basiert auf Einsteins Gleichung E=mc², in der Energie (E) in Materie (m) umgewandelt werden kann.

Welche Herausforderungen haben die experimentelle Materieerzeugung aus Laserlicht in Laboren behindert?

Die größte Herausforderung war der Bedarf an extrem leistungsstarken Lasern. Das Erreichen der notwendigen Laserintensität für die Materieerzeugung war in Laborexperimenten ein erhebliches Hindernis.

Wie haben die Forscher diese Herausforderungen in ihrer Studie gemeistert?

Mithilfe von Simulationen zeigten die Forscher, dass sich dichtes Plasma selbst zu einem Photon-Photon-Kollider organisieren kann, wenn es intensiven elektromagnetischen Laserfeldern ausgesetzt wird. Dieser Collider enthält eine hohe Konzentration an Gammastrahlen, die Photon-Photon-Kollisionen und die Erzeugung von Materie ermöglichen.

Welche praktische Bedeutung hat diese Forschung für zukünftige Experimente?

Die Einfachheit des Versuchsaufbaus und seine Kompatibilität mit bestehenden Laserintensitäten machen ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige experimentelle Implementierungen. Diese Forschung öffnet Türen für die weitere Erforschung der Geheimnisse des Universums im Labor.

Kann diese Forschung zu realen Anwendungen führen, die über die Grundlagenphysik hinausgehen?

Obwohl diese Forschung keinen direkten Bezug zu praktischen Anwendungen hat, kann sie dazu beitragen, unser Verständnis der Zusammensetzung des Universums experimentell zu validieren und möglicherweise zu neuen Entdeckungen in der Physik zu führen. Derzeit gibt es jedoch über die wissenschaftliche Grundlagenforschung hinaus keine direkten realen Anwendungen.

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