Photonenteilung

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Die Zeiten, in denen Elementarteilchen als unteilbar galten, sind längst vorbei. Die Spaltung eines einzelnen Photons in zwei Photonen gleicher Energie darf dennoch als äußerst ungewöhnlich gelten.

Thorsten Krome

Viele Elementarteilchen halten nicht viel von Kontinuität und wandeln sich sporadisch in andere Teilchen um. Ein Photon beispielsweise kann für eine gewisse Zeit einem Elektronen und einem Positron – dem Antiteilchen des Elektrons – Platz machen. Die beiden ungleichen Zwillinge zerstrahlen jedoch sofort wieder und setzen dabei Energie in Form eines Photons frei, das sich in keiner Weise von dem ursprünglichen Photon unterscheidet – das gilt zumindest im Vakuum so.

In Materie kann die Bilanz allerdings auch anders ausfallen. So vermuteten Physiker schon lange, dass Photonen durch die Wechselwirkungen mit dem elektrischen Feld von Atomen sogar geteilt werden könnten – also aus einem Photon zwei entstehen, wobei die Gesamtenergie zu gleichen Teilen auf die neuen Teilchen übergeht. Bereits 1995 berichteten Wissenschaftler des Budker Institute of Nuclear Physics in Nowosibirsk zum ersten Mal über die Beobachtung dieses seltenen Phänomens.

Nun, nachdem Alexander Milstein und seine Kollegen die Versuchsdaten vollständig analysiert haben, fanden sich noch mehr dieser Ereignisse, was den Wissenschaftler unter anderem erlaubte, die Güte von Näherungsrechnungen zu prüfen. So erwies sich die so genannte Born'sche Näherung als zu optimistisch: Nach dieser Rechnung wurde die Zahl der Photonenspaltungen um etwa 20 Prozent überschätzt. Ansonsten stimmten die Resultate jedoch gut mit der Theorie überein.

Aber wie spaltet man ein Photon eigentlich? Dazu braucht es zunächst einmal einer energiereichen Photonenquelle. In Nowosibirsk war das die ROKK-1M-Anlage am VEPP-4M-Beschleuniger, die Gammastrahlung mit Photonenenergien zwischen 100 und 450 Megaelektronenvolt liefert. Die Strahlung traf dann auf einen Bismutgermanat-Kristall und wurden anschließend von Detektoren registriert.

Die Forscher suchten nun nach Photonenpaaren, deren Energie genau identisch war – denn nur solche Photonen sollten der Theorie nach einer Spaltung entstammen. Von 1,6 Milliarden Photonen erfüllten jedoch nur rund 400 die Vorgabe. Die Seltenheit eines solchen Ereignisses deutet schon an, wie kompliziert das Experiment im Detail ist.

Dabei ist die Teilung eines Photons nur eine der vielen komplizierten Möglichkeiten, die sich für Photonen auftun, wie Martin Schumacher von der Universität Göttingen weiß. So konnte beispielsweise noch niemand experimentell zeigen, wie zwei Photonen aneinander streuen – ein ebenfalls äußerst rarer Prozess, aber nichtsdestotrotz möglich. Laut Schumacher hat eigentlich niemand an der Photonenteilung gezweifelt, "aber fundamentale Prozesse sollten sich beobachten lassen, bevor man sie als Teil des Wissens betrachten kann".