Linsen, Spiegel und Lupengläser lenken, leiten und verändern die Wellenlängen von Licht
Linsen, Spiegel und Lupengläser lenken, leiten und verändern die Wellenlängen von Licht Bildrechte: MDR/Carsten Möbius

Laserstrahlen-Kollision Urknall nachgebaut: Jenaer Forscher wollen aus Licht Materie schaffen

Der Anfang von allem war wahrscheinlich eine Riesenexplosion - wir kennen diesen Vorgang unter der Bezeichnung Urknall. Mit dieser Explosion soll vor etwa 14 Milliarden Jahren alles entstanden sein, was wir heute im Universum beobachten. Aber wie entsteht aus dem scheinbar Nichts Materie? Forscher, zu denen Physiker aus Jena gehören, wollen das klären und aus Licht Materie herstellen. Dazu haben sie zwei starke Laser im Vakuum kollidieren lassen.

Linsen, Spiegel und Lupengläser lenken, leiten und verändern die Wellenlängen von Licht
Linsen, Spiegel und Lupengläser lenken, leiten und verändern die Wellenlängen von Licht Bildrechte: MDR/Carsten Möbius

Um zu verstehen, wie Wissenschaftler versuchen so etwas wie den Schöpfungsakt nachzustellen, müssen wir über Dinge reden, die unvorstellbar sind. Beispielsweise über unglaublich starke Laser-Blitze, wie Christian Rödel vom Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena erklärt:

Dr. Christian Rödel steht an einer Apparatur
Dr. Christian Rödel Bildrechte: MDR/Carsten Möbius

"Die Leistung aller Kraftwerke in den USA sind 17 Terrawatt. Und dieser Laser hat aber 200 Terrwatt." Also etwa zwölf Mal so viel. Aber wie kriegt man das hin? Das Geheimnis liegt darin, dass man die Energie der Laser in einem unglaublich kurzen Zeitintervall konzentriert. Wie in einem Blitz, der zwar nur die Energie einer halben Tankfüllung hat, die aber in unglaublich kurzer Zeit freisetzt.

Über ein System von Spiegeln und Linsen werden also zwei Laserstrahlen direkt aufeinander geschossen - diese Kollision dauert nur ein paar Femtosekunden. Das ist so unvorstellbar kurz, dass deren Energie unvorstellbar groß ist: 

Femtosekunde, das ist ein Milliardstel und davon nochmal ein Millionstel einer Sekunde.

Christian Rödel

Zwei Vergleiche illustrieren wie kurz das ist. Eine Femtosekunde verhält sich zu einer Sekunde wie ein einziger Herzschlag zum Alter des Universums. Oder das Licht, das Schnellste überhaupt, das 300.000 Kilometer pro Sekunde zurücklegt, schafft in einer Femtosekunde gerademal die Strecke vom Durchmesser eines Haares. Das muss man erstmal hinkriegen, dass sich zwei Laser in dieser kurzen Zeit volle Kraft treffen.

Diese beiden Laserpulse treffen sich in einem Vakuum-Behälter und sollen mit ihrer hohen Energie aus dem Vakuum Materieteilchen herausreißen - so der Plan. Aber Stopp! Wie kann man denn aus dem Nichts, aus dem Vakuum etwas herausreißen? Prof. Holger Gies, Spezialist für Quantenfeldtheorie an der Universität Jena sagt, das geht. Das Vakuum ist nicht Nichts:

Durch diese Kammern führen die hochenergiereichen Laser.
Durch diese Kammern führen die hochenergiereichen Laser. Bildrechte: Carsten Möbius

Selbst wenn wir alles wegnehmen aus diesem Raum, uns wegnehmen, Tisch, Stuhl und auch die Luft wegnehmen würden, dass das dann nichts strukturloses ist, was übrigbleibt. Sondern dass was übrigbleibt, dieses Vakuum, der Grundzustand der Welt.

Prof. Holger Giess

Für Gies ist das Herausreißen von Materie nicht nur eine Frage der Materieschöpfung. Für ihn ist dieses Experiment auch ein Mittel, die Eigenschaften des Vakuums zu erforschen.

Das Spannende ist, dass das Vakuum an sich schon die Möglichkeit birgt Teilchenpaare, Antiteilchenpaare erzeugen zu können. Normalerweise vergehen die wieder. Deshalb nehmen wir sie nicht wahr. Mithilfe dieser intensiven Lichtquellen, soll es jetzt eben gelingen diese Eigenschaft, die im Vakuum vorhanden ist, sichtbar zu machen.

Prof. Holger Gies

Damit sich entstehende Teilchen und Antiteilchen sich nicht sofort wieder aufheben, haben die Jenaer Wissenschaftler Magneten entwickelt, die die entstehenden Positronen sofort gezielt auf einen Detektor fliegen lassen um sie dort zu messen. Erst danach verschwinden sie wieder. Dominik Hollatz hat die Magnetenstraße entwickelt, die die Positronen dorthin lenken, wo sie gemessen werden können.

Doktorand Domimik Hollatz
Doktorand Domimik Hollatz Bildrechte: MDR/Carsten Möbius

Es hat über ein Jahr gedauert, das zu entwickeln. Das war ein supercooler Moment, wo wir das hingestellt haben und gesehen haben: Oh! Das funktioniert tatsächlich so wie ich mir das gedacht habe. Das ist halt echt ziemlich cool.

Dominik Hollatz

Dominik Hollatz redet über den Probebetrieb, über die Testphase. Was bei diesem ersten Experiment herausgekommen ist, ob man tatsächlich mithilfe von Laser Materie aus dem Vakuum reissen konnte, darüber wollen die Jenear noch nicht reden. Erst will man noch Analysen abwarten, Fehlerquellen ausschließen und gemeinsam mit den anderen Forschergruppen aus den USA und England Bilanz ziehen, sagt Christian Rödel:

Also wir haben definitiv Elektronen-Positronen-Paare gesehen. Wir müssen jetzt schauen, ob das Untergrundeffekte sind, die man herkömmlich erklären kann oder ob das wirklich Effekte sind, die von dieser Licht-Licht Interaktion kommen.

Christian Rödel

Am besten wäre es, so Rödel, wenn die Ergebnisse vom Erwarteten etwas abweichen würden. Dann bekäme man hoffentlich Inspirationen für neue theoretische Modelle und das wäre neben der Erschaffung von Materie aus Licht - aus seiner Sicht der Oberkracher.

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Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL | Radio | 02. Juni 2018 | 09:20 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 02. Juni 2018, 05:00 Uhr