Feynman-Diagramme, die den Breit-Wheeler-Prozess (links) und die einfache Elektron-Positron-Annihilation (rechts) beschreiben.
Physiker sahen erstmals die Entstehung eines Elektron-Positron-Paares bei der Kollision zweier realer Photonen. Die Möglichkeit der Geburt eines Elektrons und seines Antiteilchens aus zwei Lichtquanten wurde bereits 1934 von Breit und Wheeler vorhergesagt, aber jetzt gelang es Physikern erstmals, diesen Prozess mit Zuversicht in einem Experiment zu beobachten. Wissenschaftler haben 6.085 solcher Ereignisse bei peripheren Kollisionen relativistischer Goldkerne mit dem STAR-Detektor am RHIC-Beschleuniger des Brookhaven National Laboratory aufgezeichnet. Mit den gewonnenen Daten kann unter anderem der Effekt der Doppelbrechung im Vakuum untersucht werden. Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Wenn ein Elektron auf ein Positron trifft, vernichten sie – statt eines Teilchen-Antiteilchen-Paares werden zwei Lichtquanten geboren. Der Vernichtungsprozess ist wahrscheinlich jedem bekannt, der schon einmal mit dem Begriff der Antimaterie in Berührung gekommen ist, aber nicht jeder weiß, dass auch der umgekehrte Prozess möglich ist: Durch den Zusammenstoß zweier Photonen kann ein Elektron-Positron-Paar entstehen. Dieses Phänomen wird als Breit-Wheeler-Prozess bezeichnet und wurde erstmals 1934 beschrieben. Doch schon damals erkannten die Wissenschaftler, dass die Wahrscheinlichkeit einer experimentellen Beobachtung eines solchen Effekts äußerst gering ist, denn eine kontrollierte Kollision zweier Photonen scheint eine fast unmögliche Aufgabe zu sein.
Dennoch räumten Breit und Wheeler die Möglichkeit ein, dass ein solcher Prozess bei Kollisionen relativistischer Kerne auftritt. Wird ein geladenes Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, führt die Lorentz-Kontraktion zu seiner sehr starken Kompression entlang seiner Bewegungsrichtung. Dies bedeutet, dass die Ladung des Teilchens entlang einer Achse stark konzentriert ist, was bedeutet, dass ein solches komprimiertes geladenes Teilchen eine Quelle eines starken elektromagnetischen Feldes ist, das senkrecht zu seiner Bewegungsachse gerichtet ist. Wie Weizsäcker und Williams im selben Jahr 1934 argumentierten, kann ein solches Feld als eine Welle dargestellt werden, die sich fast senkrecht zur Bewegung des ursprünglichen Teilchens ausbreitet und aus einem Strom realer Photonen besteht. Das bedeutete, so Breit und Wheeler, dass zwei solcher geladenen Teilchen, die aufeinander zufliegen, als Photonenquelle genutzt werden könnten, um ihre Kollisionen zu studieren.
Das Breit-Wheeler-Verfahren hat mehrere Eigenschaften, die es noch interessanter machen, es zu beobachten. Daher erlaubt die Quantennatur realer Photonen nicht, dass sie eine Helizität von Null haben (und der Breit-Wheeler-Prozess beschreibt die Kollision von realen, nicht virtuellen Photonen). Dies führt dazu, dass durch die Kollision reeller Photonen die Erzeugung von Vektormesonen unterdrückt wird und die Impulsrichtung von Elektron und Positron mit der Bewegungsrichtung der Photonen korreliert (d. h Verteilung der Impulse der erzeugten Teilchen ist im Polarwinkel anisotrop). Außerdem hängt die Kollisionswahrscheinlichkeit zweier Photonen stark von der Richtung ihrer Polarisation ab. Dies führt bei linear polarisierten Photonen dazu, dass die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares mit einem gesamten Transversalimpuls unter einem bestimmten Azimutwinkel Δφ zum Impuls eines Elektrons durch die Abhängigkeit cos (4Δφ) moduliert wird.. All dies bedeutet, dass Physiker die grundlegenden Eigenschaften dieses Effekts aus den aufgezeichneten Impulsen von Elektronen untersuchen können, die beim Breit-Wheeler-Prozess erzeugt werden.
Physiker der STAR-Kollaboration beschlossen, diesen Effekt mit dem gleichnamigen Detektor am RHIC-Beschleuniger des Brookhaven National Laboratory zu untersuchen. Sie nutzten die gesammelten Daten zu Kollisionen von Goldkernen bei einer Energie von 200 Gigaelektronenvolt pro Nukleon-Nukleon-Paar. Zunächst mussten die Wissenschaftler ultraperiphere Ereignisse auswählen, bei denen Kerne ohne direkte Kollision von Nukleonen aneinander vorbeifliegen, aber aufgrund der oben beschriebenen Coulomb-Felder interagieren, da in diesem Fall die Kollision zweier erzeugter Photonen am wahrscheinlichsten ist. Dann mussten die Forscher aus 23 Millionen solcher ultraperipherer Ereignisse diejenigen auswählen, bei denen ein Elektron-Positron-Paar geboren wurde, und zwar während des Breit-Wheeler-Prozesses. Die Auswahl wurde dadurch erschwert, dass bei der Kollision zweier virtueller Photonen sowie eines realen und eines virtuellen Photons das gleiche Reaktionsprodukt möglich ist. Die Wissenschaftler wählten die gesuchten Ereignisse aufgrund der großen invarianten Masse des Elektron-Positron-Paares, seines kleinen Transversalimpulses sowie spezifischer Anforderungen an Ionisationsverluste von Elektronen im Detektor und ihrer Flugzeit aus.
Ereignisse, die dem Breit-Wheeler-Verfahren entsprechen (unter der roten Linie).
Physiker analysierten auch das Vorhandensein des Breit-Wheeler-Prozesses bei Ereignissen, bei denen sich Kerne teilweise überlappten und nicht nur durch das elektromagnetische Feld, sondern auch durch kollidierende Nukleonen wechselwirkten. Die Wissenschaftler wählten Ereignisse im Zentralitätsbereich von 60 bis 80 Prozent aus, wenn zwischen den Zentren der Kerne während ihrer Kollision 11,5 bis 13,5 Femtometer (mit einem Kernradius von etwa 7 Femtometern) lagen. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass alle ausgewählten Ereignisse die für den Breit-Wheeler-Prozess charakteristischen Abhängigkeiten des differentiellen Wirkungsquerschnitts für die Erzeugung von Elektronen von ihrer invarianten Masse, Polarwinkel und Transversalimpuls aufweisen, und letzterer stark abhängt über die Zentralität von Kollisionen. Insbesondere die glatte Verteilung der invarianten Masse zeigte, dass bei den ausgewählten Ereignissen tatsächlich keine Vektormesonen erzeugt wurden, und die Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts vom Transversalimpuls hatte erwartungsgemäß einen Spitzenwert bei einem kleinen Wert von 38,1 ± 0,9 Megaelektronenvolt.
Abhängigkeiten des differentiellen Wirkungsquerschnitts zur Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares in Abhängigkeit von seiner invarianten Masse (a), vom Polarwinkel zwischen dem Moment des Elektrons und der Richtung des Photons (b) und vom transversalen Moment von das Paar (c).
Schließlich haben Wissenschaftler erstmals experimentell die Abhängigkeit der Anzahl der erzeugten Elektron-Positron-Paare von ihrem Azimutwinkel gemessen: Physiker sahen sowohl bei ultraperipheren als auch einfach peripheren Ereignissen die Modulation der Verteilung nach dem cos (4Δφ)-Gesetz. Es stellte sich heraus, dass die Modulationsamplitude 16,8 ± 2,5 bei ultraperipheren Kollisionen und 27 ± 6 bei peripheren Kollisionen betrug, und die Abhängigkeit selbst stimmte mit den theoretischen Vorhersagen überein, die für die beobachteten Ereignisse unter Verwendung von Quantenmodellen der Elektrodynamik bei Kollisionen relativistischer Kerne berechnet wurden.
Abhängigkeit der Anzahl der registrierten Ereignisse vom Azimutwinkel zwischen den Momenten des Elektron-Positron-Paares und des Elektrons.
Die erhaltenen Ergebnisse eröffnen Möglichkeiten, einen weiteren interessanten Effekt zu untersuchen: die Doppelbrechung im Vakuum, die 1936 von Heisenberg und Euler vorhergesagt wurde. Das übliche Phänomen der Doppelbrechung tritt in einem Medium aufgrund seiner Anisotropie auf. Nach den Vorhersagen von Heisenberg kann im Vakuum durch sehr starke Magnetfelder eine ähnliche Anisotropie entstehen. Unter solchen Bedingungen beginnt der Brechungsindex des Vakuums von der Polarisation der durchtretenden Photonen abzuhängen, was tatsächlich zu einer indirekten Wechselwirkung der Photonen mit dem Magnetfeld des Mediums führt. Für diesen Effekt gibt es nur einen Beweis: 2017 sahen sie in der Polarisation von Licht, das an einem isolierten Neutronenstern vorbeiflog, Spuren von Doppelbrechung im Vakuum. Teilnehmer der STAR-Kollaboration wiederum können diesen Effekt möglicherweise für Photonen beobachten, die in der Nähe relativistischer Kerne geboren werden, die sofort in einem Medium mit einem sehr starken Magnetfeld geboren werden. Darüber hinaus sind die von Wissenschaftlern beobachteten Effekte empfindlich gegenüber der Polarisation der erzeugten Photonen, was bedeutet, dass die erhaltenen Daten möglicherweise es ermöglichen, diesen Effekt zu sehen.
Wenn zwei Photonen kollidieren, muss nichts geboren werden. Wir haben zum Beispiel darüber gesprochen, wie zwei Photonen am Large Hadron Collider aneinander gestreut werden. Und wenn bei der Kollision von Photonen etwas geboren wird, dann ist es keineswegs eine Tatsache, dass es Elektronen sein werden: Am selben LHC wurden bei der Kollision von Photonen bereits W-Bosonen geboren.
