Forschung, News, zAufi

Elektronen-Angeln im kosmischen Nichts

Petawatt-Laser am HZDR. Mit solchen Lasern will Professor Ralf Schützhold Teilchen aus dem scheinbaren "Nichts" hervorzaubern. Foto: HZDR, Oliver Killig

Petawatt-Laser Penelope am HZDR. Mit solchen und noch stärkeren Lasern will Professor Ralf Schützhold Teilchen aus dem scheinbaren “Nichts” hervorzaubern. Foto: HZDR, Oliver Killig

Rossendorfer Physiker Schützhold will mit Superlasern in den kosmischen Dirac-See tauchen

Dresden, 12. Oktober 2018. Umso mehr Superlaser, 90-Tesla-Spulen, Ionenkanonen und künstliche Erdkerne die Experimentatoren im „Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf“ (HZDR) in die Hände bekommen, umso extremer sind die Zustände, in die sie die Materie in ihren Laboren versetzen: Sie sperren die Proben in starke Magnetfelder ein, die jedes Smartphone sofort grillen würden, versetzen sie ins Innere von Neutronensternen und an den Anfang der Welt, mitten hinein in den Urknall. Um besser zu verstehen, was genau da eigentlich in ihren Vakuumkammern passiert, haben sie sich Schützenhilfe bei Professor Ralf Schützhold geholt. Der 44-Jährige baut nun am Stadtrand von Dresden eine Gruppe für „Theoretische Physik“ auf. Drei Mitstreiter hat schon gefunden, zehn schlaue Köpfe soll die Gruppe in naher Zukunft umfassen.

Professor Ralf Schützhold. Foto: HZDR

Professor Ralf Schützhold. Foto: HZDR

Rossendorf baut Theoriegruppe auf

„Wir beschäftigen uns vor allem mit Quantenphysik“, erklärt der in Freital geborene Physiker. „Wir versuchen, theoretische Erklärungen für das zu liefern, was in den Experimenten geschieht. Und wir liefern Vorschläge für neue Experimente.“ Dabei hat Prof. Schützhold ehrgeizige Pläne: Mit seinen Rossendorfer Kollegen will er mit Superlasern Teilchen aus dem Nichts „zaubern“ – oder zumindest aus dem, was wir gemeinhin als „Nichts“ bezeichnen.

Prof. Metin Tolan wird auf der DPG-Frühjahrstagung in Dresden über die Physik der Enterprise aus den Startrek-Filmen referieren. Foto: Paramount

Raumschiff Enterprise. Foto: Paramount

Paul Dirac rechnete am Kreuzungspunkt von Relativitäts- und Quantenphysik

Um zu verstehen, was dahinter steckt, sollten wir uns an eine legendäre Science-Fiction-Serie erinnern: Wann immer das TV-Raumschiff „Enterprise“ durchs Weltall glitt, durchquerte es schier unendliche Weiten aus leerem Raum – so hieß es im Vorspann. Das klang aufregend, war aber nicht ganz korrekt: Weder sind die Abstände zwischen den Sternen unendlich noch wirklich leer. Angesehen von verirrten Kometen und stolzen Sternenkreuzern ist das Vakuum nämlich mit einem riesigen See gefüllt. Und der besteht aus Teilchen, die für Menschen unsichtbar und – im wörtlichen Sinne – nicht begreifbar sind. Diese Theorie hat zumindest der Franzose Paul Dirac 1930 aufgestellt. Dabei rang er um ein begreifbares Bild, um zu erklären, was seine mathematischen Formeln ergeben hatten, als er Einsteins Relativitätstheorie und Plancks Quantentheorie zusammenbringen wollte: Dass nämlich das vermeintliche Vakuum da draußen im Weltall mit Elektronen und anderen Teilchen angefüllt ist, die wir selbst mit den besten Messinstrumenten nicht erfassen können, weil sie negative Energie (nicht zu verwechseln mit negativer Ladung) haben. Das angeblich so leere All könne man sich wie einen riesigen See vorstellen, unter dessen Oberfläche diese versteckte Materie umherwabert.

Jedes Bild aus unserer Alltagswelt kann nur grob eine Vorstellung davon vermitteln, wie der theoretische "Dirac-See" im All, der Teilchen mit negativer energie enthalten soll, zu verstehen ist. Montage: hw, Fotos: Esa/Nasa/Hubble & Heiko Weckbrodt

Jedes Bild aus unserer Alltagswelt kann nur grob eine Vorstellung davon vermitteln, wie der theoretische “Dirac-See” im All, der Teilchen mit negativer Energie enthalten soll, zu verstehen ist. Montage: hw, Fotos: Esa/Nasa/Hubble & Heiko Weckbrodt

Antimaterie-Produktion im Vakuum

Und nun wieder zurück von Alpha Centauri zur Erde: Im Labor wollen Professor Schützhold beziehungsweise seine experimentierenden Kollegen diesen „Dirac-See“ mit den sehr starken Superlasern beschießen. Solange, bis das entstehende elektrische Feld ein paar versteckte Elektronen mit negativer Energie aus der Tiefe des Dirac-Sees an die Oberfläche, in unsere Wahrnehmungswelt reißt. Für einen Beobachter würde das so aussehen, als ob sie Materie aus dem Nichts erschaffen würden. Als „Nebeneffekt“ würde dabei Antimaterie entstehen. Denn laut Theorie muss jedes befreite Elektron auch sein positiv geladenes Gegenstück, ein Positron, wie an einem Gummiband nach sich aus dem „See“ ziehen. Einmal auf unserer Seite angekommen, vernichten sich Teilchen und Anti-Teilchen normalerweise sofort gegenseitig. Doch durch das starke elektrische Feld des Lasers bewegen sich Elektron und Positron in entgegengesetzte Richtungen und entgehen so der Vernichtung, erklärt Schützhold. Und der Professor hat noch viele Ideen, was er mit dem Dirac-See anstellen könnte. Zum Beispiel, um Laserstrahlen abzufeuern, die sich im scheinbaren Nichts wie von selbst bündeln. In anderen Superlaser-Elektronen-Experimenten möchte er verschränkte Lichtteilchen erzeugen, die auch über große Distanzen hinweg voneinander wissen.

Verschränkte Lichtteilchen für unknackbare Kommunikation

„All das ist natürlich Grundlagenforschung“, betonte der Physiker. Aber auch wenn Antimaterie und Seen aus negativer Energien erst mal nach Science Fiction klingen, könnten daraus später einmal daraus praktische Anwendungen jenseits von Enterprise-Warp-Antrieben entstehen: Verschränkte Photonen zum Beispiel werden für Quantencomputer und neuartige abhörsichere Datensysteme gebraucht. Und Mediziner setzen Antimaterie schon heute in Krankenhäusern ein, für Positronen-Emissions-Tomographien (PET) zum Beispiel.

Wo Steuern winken, ist der Fiskus geduldig

Ralf Schützhold rezitiert bei solchen Gelegenheiten gerne eine Anekdote aus dem viktorianischen Zeitalter: Die besagt, dass der englische Naturforscher Michael Faraday (1791-1867) eines Tages Besuch vom Schatzkanzler seiner Majestät erhielt. „Der Abgesandte der Königin wollte wissen, wozu all die aufwendige Grundlagenforschung mit elektrischen Vorrichtungen und Magneten überhaupt gut sei“, erzählt der Physiker . „Faraday soll geantwortet haben: ,Sir, es ist sehr wahrscheinlich, dass Ihr bald Steuern drauf erheben könnt!’“ Das habe alle weiteren Fragen des Schatzkanzlers erledigt. „Und so ist es ja auch gekommen, wenn man daran denkt, wo Elektromotoren, Generatoren und andere elektrische Maschinen sowie elektronische Geräte im Einsatz sind“, betont Schützhold.

Autor: Heiko Weckbrodt