Die Explosion einer Atombombe erzeugt Licht und Energie. Wie können Energie und Licht also wieder in Materie umgewandelt werden?

Minuten nach dem Urknall entstanden die ersten Materie- und Antimaterieteilchen, und den umgekehrten Prozess kennen wir heute aus allen möglichen Bereichen, vom Lagerfeuer bis zur Atombombe: Materie erzeugt Energie, doch der entscheidende Übergang von Licht zu Materie lässt sich nur schwer reproduzieren. Eine neue Reihe von Simulationen eines Forscherteams unter der Leitung von Alexey Arefeev von der University of California in San Diego weist nun den Weg zur Erzeugung von Materie mit Licht. Der Prozess beginnt damit, dass Hochleistungslaser auf ein Ziel gerichtet werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das so stark ist wie das eines Neutronensterns.

Dieses Feld erzeugt Gammastrahlen, die miteinander kollidieren und so für den Bruchteil einer Sekunde Paare aus Materie- und Antimaterieteilchen erzeugen. Arefiev, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, sagte: „Diese Studie, die in der Fachzeitschrift Physical Review Applied veröffentlicht wurde, bietet einen Ansatz, den Experimentalphysiker an der Hochleistungslaseranlage Extreme Light Infrastructure (ELI) in Osteuropa nachahmen können, um innerhalb von ein bis zwei Jahren echte Ergebnisse zu erzielen. Ihre Erkenntnisse ermöglichen es Wissenschaftlern erstmals, einen fundamentalen Prozess im Universum zu untersuchen.“

Die Kraft ultrahoher Leistung nutzen

Die Kollegen des Forschungsteams in der Relativistic Laser-Plasma Simulation Group untersuchen seit Jahren, wie man ultraintensive, gerichtete Strahlen energiereicher Strahlung erzeugt. Die Forschung wird teilweise von der National Science Foundation und dem Air Force Office of Scientific Research unterstützt. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, einen Hochleistungslaser auf ein Ziel zu richten, um ein sehr starkes Magnetfeld zu erzeugen, das wiederum eine intensive Energiefreisetzung bewirkt. Hochintensive, ultrakurze Laserpulse, die auf dichte Ziele gerichtet werden, können diese „relativ transparent“ machen, da sich die Elektronen im Laser mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen und dadurch effektiv schwerer werden.

Dadurch wird die Bewegung der Elektronen des Lasers verhindert und das Ziel vor Lasertreffern geschützt. Wenn der Laser an diesen Elektronen vorbeidringt, erzeugt er ein Magnetfeld, das so stark ist wie die Schwerkraft an der Oberfläche eines Neutronensterns und mehr als 100 Millionen Mal stärker als das Magnetfeld der Erde. Es ist keine Übertreibung, wenn man sagt, dass all dies im Bruchteil einer Sekunde geschieht und das Magnetfeld 100 Femtosekunden lang existiert (eine Femtosekunde ist eine Zehntelsekunde – eine Billiardstelsekunde). Aber „aus der Sicht des Lasers ist das Feld quasistatisch, und andererseits ist aus der Sicht des Lasers unsere Lebensdauer wahrscheinlich länger als die Lebensdauer des Universums. Hochleistungslaser sind in diesem Zusammenhang Laser im Petawattbereich, wobei ein Petawatt eine Million Watt ist.“

Zum Vergleich: Die Sonne liefert etwa 174 Petawatt Sonnenstrahlung an die gesamte obere Atmosphäre der Erde und ein Laserpointer kann etwa 0,005 Watt Leistung liefern, um eine PowerPoint-Folie anzutreiben. Frühere Simulationen haben gezeigt, dass der Laser eine hohe Leistung haben und auf einen winzigen Punkt gerichtet sein müsste, um die für ein ausreichend starkes Magnetfeld erforderliche Intensität zu erzeugen. Die neuen Simulationen zeigen, dass durch eine Vergrößerung des Brennflecks und eine Steigerung der Laserleistung auf etwa 4 Petawatt die Intensität des Lasers gleich gehalten und dennoch ein starkes Magnetfeld erzeugt werden kann. Die Simulationen zeigten, dass unter diesen Bedingungen die laserbeschleunigten Elektronen des Magnetfelds die Emission hochenergetischer Gammastrahlen stimulierten.

Partikelpaar

Eines der interessanten Dinge ist, dass (Elektron-Positron-Paare) Paare aus Materie- und Antimaterieteilchen erzeugen. Diese Partikel können durch die Kollision zweier Gammastrahlen oder durch die Kollision eines Gammastrahls mit Schwarzkörperstrahlung entstehen, einem Objekt, das die gesamte auf es treffende Strahlung absorbiert. Wissenschaftlern ist es bereits zuvor gelungen, Licht in Materie umzuwandeln, insbesondere in einem Experiment an der Stanford University im Jahr 1997. Damals war jedoch ein zusätzlicher Strom hochenergetischer Elektronen erforderlich, während bei der neuen Methode „nur Licht zur Erzeugung von Materie genutzt wird“.

Das Stanford-Experiment „erzeugt etwa alle 100 Mal ein Teilchenpaar.“ Ein Experiment, bei dem Materie nur durch Licht erzeugt wurde, simulierte die Bedingungen in den ersten Minuten des Universums genauer und lieferte Forschern, die mehr über diesen kritischen Zeitraum erfahren möchten, ein verbessertes Modell. Das Experiment könnte auch weitere Möglichkeiten zur Untersuchung von Antimaterieteilchen bieten, die nach wie vor ein mysteriöser Teil der Zusammensetzung des Universums sind. Wissenschaftler möchten beispielsweise mehr darüber erfahren, warum es im Universum scheinbar mehr Materie als Antimaterie gibt, obwohl beide in gleichen Mengen vorhanden sein sollten.

Boco Park | Forschung/Von: University of California, San Diego