Die Fotografie zeigt eine Seite des ATLAS-Detektors

Wechselwirkung von Licht

Laut den Gesetzen der klassischen Physik wechselwirkt Licht nicht miteinander. Dennoch können Lichtteilchen unter extrem seltenen Umständen miteinander kollidieren. Im Podcast von Welt der Physik sprach Matthias Schott von der Universität Mainz über die erstmalige Beobachtung derartiger Licht-an-Licht Kollisionen.

Materieteilchen können zusammenstoßen, sich gegenseitig ablenken oder sogar gegenseitig zerstören. Kurz gesagt: Materie wechselwirkt miteinander. Trifft hingegen Licht aufeinander, passiert: nichts. Das erkannte bereits der schottische Physiker James Clerk Maxwell, der vor über 150 Jahren mit den nach ihm benannten Gleichungen das Verhalten von Licht als elektromagnetische Strahlung beschrieb. Was passiert, wenn zwei Lichtstrahlen aufeinandertreffen, lässt sich mit einem ruhigen See veranschaulichen, in den man einen Stein wirft – es entsteht ein ringförmiges Wellenmuster.

Porträtfoto des Wissenschaftlers
Matthias Schott von der Universität Mainz

Matthias Schott: „Wenn man einen weiteren Stein ins Wasser wirft, erzeugt auch dieser ein Wellenmuster. Treffen beide Wellenmuster aufeinander, interferieren sie. Aber das Interessante dabei ist, dass normalerweise beide Wellen ohne Wechselwirkung durcheinander durchgehen, das heißt, dass dadurch keine neuen Wellen entstehen. Genau das Gleiche passiert auch bei Licht.“

Licht zeigt sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Auch wenn zwei Lichtteilchen, oder Photonen, aufeinandertreffen, passiert nichts.

„Photonen wechselwirken nicht miteinander, zumindest nicht in erster Ordnung. Grob gesagt heißt das, dass das Bild genau das Gleiche wie bei den Steinen im Wasser ist. Demnach fliegen Photonen durcheinander durch.“

Warum Lichtteilchen nicht miteinander wechselwirken, lässt sich mit der elektrischen Ladung von Teilchen erklären.

„Photonen werden von geladenen Teilchen ausgesendet. Zwei geladene Teilchen wechselwirken miteinander, indem sie Lichtteilchen aussenden. Gemäß unserer Theorie können also prinzipiell nur geladene Teilchen Photonen aussenden. Photonen selbst sind aber nicht geladen und können deshalb keine weiteren Photonen aussenden.“

Gemäß den Gesetzen der klassischen Physik ist eine Wechselwirkung zwischen Lichtteilchen somit unmöglich. In der Welt der Quantenphysik ist jedoch alles ein bisschen anders, auch das Verhalten von Licht. Das erkannten vor über siebzig Jahren bereits Werner Heisenberg und sein Doktorand Hans Heinrich Euler. Die beiden arbeiteten an den Grundlagen der sogenannten Quantenelektrodynamik: Sie wendeten die Gesetze der Quantenphysik auf die Maxwellschen Gleichungen für elektromagnetische Strahlung an, um zu beschreiben, wie sich Licht im Vakuum ausbreitet.

„Die Quantenelektrodynamik beschreibt, dass sich Photonen im luftleeren Raum, also im Vakuum, ganz kurzfristig in zwei Teilchen aufspalten können, nämlich in ein Elektron und in sein Antiteilchen, das Positron. Aus vielen Versuchen wissen wir, dass das auch ständig passiert.“

In einem Tunnel ist ein Teil des Beschleunigerrings des LHC zu sehen.
Der LHC beschleunigt neben Protonen auch Bleiionen

Auf der Quantenebene wird aus dem Licht also Materie, die sich selbst wiederum sofort in Licht zurückverwandelt. Und diese Materie kann prinzipiell miteinander wechselwirken – und somit die Wechselwirkung von Licht mit Licht indirekt eben doch ermöglichen.

„Wir können uns vorstellen, dass wir zwei Photonen haben. Eines kommt von links, eines kommt von rechts, und beide spalten sich in jeweils ein Elektron und ein Positron auf. Wenn sich die Photonen nahe genug sind und diese Aufspaltung gleichzeitig geschieht, können sich in diesem ganz kleinen Zeitfenster und auf kleinstem Raum die beiden Elektronen und Positronen von beiden Seiten vernichten und so zwei neue Lichtteilchen ergeben.“

Allerdings handelt es sich dabei um ein extrem unwahrscheinliches Ereignis.

„Man muss extrem viele Lichtteilchen kollidieren lassen, um diesen Effekt überhaupt sehen zu können. Man hofft darauf, dass irgendwann einmal zwei neue Lichtteilchen entstehen, die in eine andere Richtung weiterfliegen.“

Matthias Schott und seine Kollegen führen dazu Experimente am ATLAS-Detektor des Teilchenbeschleunigers LHC am Forschungszentrum CERN durch. Dort werden nicht Licht-, sondern Materieteilchen beschleunigt, entweder Protonen oder geladene Bleiatome. Diese Teilchen werden auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und ermöglichen es den Wissenschaftlern, auch Licht zu erforschen.

„Das Schöne an relativistischen geladenen Teilchen ist, dass sie immer von einem elektromagnetischen Feld sind. Dieses Feld kann durch Photonen beschrieben werden, was heißt, dass die Bleiionen eigentlich von einer sehr, sehr großen Anzahl von Photonen begleitet werden. Im Prinzipist genau das der Ausgangspunkt unseres Experiments.“

Normalerweise wollen die Forscher am LHC die Bleiionen kollidieren lassen – anders die Physiker des ATLAS-Experiments.

In der Grafik ist der ATLAS-DETEKTOR abgebildet sowie das Signal als bunter Streifen, das zwei Lichtteilchen darstellt. Diese bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen.
Nachweis der Licht-an-Licht Streuung

„In unserem Experiment suchen wir explizit nach Ereignissen, in denen zwei Bleiionen sehr knapp aneinander vorbeifliegen, sodass die Photonen, die sie begleiten, miteinander wechselwirken können.“

Wechselwirken tatsächlich einmal zwei Photonen miteinander, würde der ATLAS-Detektor außer den zwei neu entstandenen Lichtteilchen, die nach der Kollision in eine andere Richtung fliegen, nichts registrieren. Tatsächlich gelang es Matthias Schott und seinen Kollegen, dieses charakteristische Signal in den Daten des Detektors aufzuspüren – und zwar insgesamt 13 mal in über vier Billionen Ereignissen.

„Man muss jedoch sagen, dass wir diese Entdeckung mit einer Wahrscheinlichkeit von 4,4 Sigma gemacht haben. Das bedeutet, dass es sich dabei sehr wahrscheinlich um eine echte Entdeckung und keinen Zufall handelt. Allerdings verlangt man in der Teilchenphysik normalerweise fünf Sigma, um tatsächlich von einer Entdeckung sprechen zu können: Fünf Sigma bedeutet nämlich, dass die Wahrscheinlichkeit eins zu einer Million steht, dass es diese Signatur der 13 Ereignisse nur zufällig gegeben hat.“

Um den Zufall endgültig ausschließen zu können, wollen die Wissenschaftler weitere Ereignisse sammeln, sobald am LHC 2018 wieder Bleiionen beschleunigt werden. Doch Matthias Schott ist sich jetzt schon ziemlich sicher, mit den Messungen die Vorhersage von Heisenberg und Euler nach über siebzig Jahren bestätigt zu haben – und dass, wenn Licht aufeinandertrifft, eben doch nicht immer nur nichts passiert.