Breit-Wheeler-Theorie: Materie aus Licht erzeugen

[Spocky]

Vor 80 Jahren zeigten die Physiker Gregory Breit und John Wheeler, dass es theoretisch möglich sei, Masse aus Licht zu gewinnen. Genau gesagt sollte dabei aus zwei Photonen ein Elekron und ein Positron entstehen.

Schon zu deren Lebzeiten war ihre Theorie weitesgehend anerkannt, aber sie glaubten nicht, dass man das im Labor jemals nachweisen könnte.

Jetzt haben zwei Wissenschaftler der Uni Warschau einen Versuchsaufbau erdacht, von dem sie ausgehen, dass es damit möglich ist, den Nachweis zu erbringen. Sie selbst verfügen jedoch nicht über die notwendige Ausrüstung und die Mittel, somit ist jetzt das Rennen in den Labors, die es können, eröffnet. Es winkt nicht weniger als der Nobelpreis, denn den gabs bisher für alle sechs anderen Licht-Materie-Wechselwirkungen (s. erstes Bild im ersten Link unten) entweder für den, der die Theorie aufstellte oder den, der sie Nachwies.
New research proves light can be converted into matter by man - Birmingham science news | Examiner.com

http://www.iflscience.com/physics/scientists-work-out-how-make-matter-light

Wie*Materie*aus Licht entstehen könnte - Technik - derStandard.at ? Wissenschaft

Dass "Hohlraum" auch Einzug in die englische Sprache gehalten hat, wusste ich bisher auch noch nicht.

[irony]

Genau gesagt sollte dabei aus zwei Photonen ein Elekron und ein Positron entstehen.

Das Neue daran ist nur, dass durch die Kollision von zwei Photonen, ein Elektron-Positron-Paar gebildet werden soll.

Die Entstehung eines Elektron-Positron-Paars aus einem energiereichen Photon ist längst Alltag in der Physik:

Die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares aus einem energiereichen Photon wurde 1933 als erster Paarbildungs-Prozess experimentell durch Irène Curie und Frédéric Joliot nachgewiesen Paarbildung (Physik)

Dass Licht in Materie umgewandelt werden kann, ist also nichts Neues.

Das Neue ist die Methode, eine Photon-Photon-Wechselwirkung zu bekommen, was schwierig ist, weil Photonen so gut wie gar nicht mit anderen Photonen wechselwirken.

[Spocky]

Wirklich ausführlich stand in den Quellen, die ich gefunden hatte, leider nichts drin. Ich würde mich aber freuen, wenn jemand, der mehr Zugriff auf Wissenschaftliche Artikel hat, hier ein wenig näher drauf eingehen könnte.

[irony]

Es ist ein bisschen anders, als ich zuerst dachte. Das Bild in dem Artikel Wie*Materie*aus Licht entstehen könnte - Technik - derStandard.at ? Wissenschaft zeigt das Wesentliche.

Bislang brauchte man, um mit einem Gammastrahl Elektron-Positron-Paare zu erzeugen, das elektrische Feld eines Elektrons oder Atomkerns:

Diese Paarbildung stellt einen wichtigen Prozess der Wechselwirkung von Photonen mit Materie dar. Sie führt z. B. in Blasenkammern zu charakteristischen Spuren. Man unterscheidet zwei Fälle: die Paarbildung kann durch Wechselwirkung eines Photons mit dem elektrischen Feld eines Atomkerns oder eines Hüllenelektrons stattfinden. (Wikipedia)

Die Energie eines Gammaphotons (> 1022 keV) alleine reicht also im Normalfall nicht, man braucht bislang immer noch eine elektrische Ladung als Hilfsmittel zur Paarerzeugung.

Bei dem neuen Experiment hat man aber einen Vakuum-Hohlraum, in dem es keine Elektronen oder Kerne gibt, sondern nur eine thermische Hohlraumstrahlung, und die Gammaphotonen sollen nun mit den Photonen der Hohlraumstrahlung wechselwirken und dabei Elektron-Positron-Paare erzeugen ohne dass elektrische Ladungen als Hilfsmittel wirken.

[Hades]

Also von der Energiebilanz ist mir ja bewusst, das die Energie die aus der Elektron-Positron Wechselwirkung entstehen würde sowieso die selbe ist, wie die die man in die z.B. Gammastrahlen stecken muss. Von daher keine wirkliche "Energiequelle"

Könnte man sich aber daraus eine relativ realistische Antimaterie-Gewinnung für die Raumfahrt vorstellen? Oder scheitert das dann an der Halbwertszeit freier Elektronen( die bestimmt auch die selbe für Positronen sein müsste)?

[irony]

Oder scheitert das dann an der Halbwertszeit freier Elektronen( die bestimmt auch die selbe für Positronen sein müsste)?

Elektronen und Positronen sind stabile Teilchen. Die zerfallen nicht, vernichten sich aber gegenseitig durch Rekombination innerhalb kürzester Zeit, falls Du das meinst.

Könnte man sich aber daraus eine relativ realistische Antimaterie-Gewinnung für die Raumfahrt vorstellen?

Das Problem dürfte weniger die Erzeugung als die Speicherung von Antimaterie sein. Antimaterie darf nicht mit normaler Materie in Kontakt kommen. Man könnte den Treibstoff aus Antimaterie nicht einfach in einen Behälter aus Materie füllen, und selbst wenn man das ganze Raumschiff aus Antimaterie bauen könnte, wie ginge es dann weiter?

[Hades]

Elektronen und Positronen sind stabile Teilchen. Die zerfallen nicht, vernichten sich aber gegenseitig durch Rekombination innerhalb kürzester Zeit, falls Du das meinst.

Ich bin Laie und dacht mitbekommen zu haben, das alle Partikel außer Photonen irgendwann zerfallen. :-/ Ich meinte damit nicht die Annihlation.

Das Problem dürfte weniger die Erzeugung als die Speicherung von Antimaterie sein. Antimaterie darf nicht mit normaler Materie in Kontakt kommen. Man könnte den Treibstoff aus Antimaterie nicht einfach in einen Behälter aus Materie füllen, und selbst wenn man das ganze Raumschiff aus Antimaterie bauen könnte, wie ginge es dann weiter?

Ich hab mir das simpel Technobabelmäßig vorgestellt, dass die Elektronen und Positronen ja jeweils elektrisch geladen sind und damit in elektrischen Feldern gehalten werden könnten. und bei Bedarf zum Annihilieren gebracht werden a la Warpkern. Ich wollte abseits der Speichertechnik und wie man die Annihlationsenergie nutzen kann rein über die Möglichkeit nachfragen Elektronen und Positronen als Effiziente Energiespeicher/Treibstoffe nutzen zu können.

[Agent Scullie]

Bislang brauchte man, um mit einem Gammastrahl Elektron-Positron-Paare zu erzeugen, das elektrische Feld eines Elektrons oder Atomkerns:


Die Energie eines Gammaphotons (> 1022 keV) alleine reicht also im Normalfall nicht, man braucht bislang immer noch eine elektrische Ladung als Hilfsmittel zur Paarerzeugung.

Das Problem dabei ist nicht die Energie, sondern dass neben der Energieerhaltung auch die Impulserhaltung gewährleistet sein muss. Das durch Paarbildung erzeugte Elektron-Positron-Paar hat in seinem Ruhsystem einer Energie von 1022 keV oder mehr, aber den Impuls null. Sollte das Paar aus einem einzelnen Photon entstehen, so müsste dieses Photon die gleiche Energie und den gleichen Impuls haben, war aber nicht erfüllbar ist, da für Photonen die Energie-Impuls-Beziehung E = pc gilt, ein Photon mit einer Energie von 1022 keV folglich einen Impuls von 1022 keV/c haben müsste.

Wenn jedoch ein Atomkern in der Nähe ist, so kann dieser den überschüssigen Impuls aufnehmen, so dass eine Paarbildung möglich wird.

Bei zwei Photonen ist es dagegen möglich, dass die beide zusammen den Gesamtimpuls null haben (nämlich dann, wenn ihre Impuls entgegengesetzt sind), daher kann es auch dann zur Paarbildung kommen.