Entstehung von Photonen direkt vermessen
Mit einem einfachen mechanischen Aufbau haben Forscher am Cern den Raumbereich bestimmt, in dem Elektronen Photonen aussenden.
Wie lange braucht ein Elektron um ein Photon auszusenden? Die übliche Antwort lautet: So kurze Zeit, dass man es nicht messen kann. Ein internationales Team um Physiker der Universität Aarhus ist es jedoch nun am Cern gelungen, den Prozess hinaus zu zögern und ihn so messbar zu machen. Sie verwendeten dazu Einsteins Relativitätstheorie, zwei Stück Goldfolie und eine Mikrometerschraube.
Abb.: Schema des Versuch zur Bestimmung der „Entstehungslänge“ (formation length) eines Photons aus einem Elektron. (Bild: K. K. Andersen et al., Phys. Rev. Lett.)
Nach dem Bohrschen Atommodell umkreisen Elektronen den Atomkern auf Schalen in stationären Zuständen. Ein Photon entsteht, wenn ein Elektron von einer weiter außen gelegenen Schale auf eine innere wechselt und dabei ein bestimmtes Quantum Energie abgibt. Ein Elektron auf seinem Weg zwischen den Schalen zu beobachten ist aber unmöglich. Es scheint als würde der Prozess der Lichtabstrahlung instantan geschehen. Ulrik Uggerhøj und sein Team aber haben nun herausgefunden, dass ein Elektron eine messbar lange Zeit braucht, um ein Photon auszusenden.
Sie sandten Elektronen durch zwei sehr dünne Goldfolien, die sich in einem Abstand befanden, der auf ein paar Mikrometer genau zu bestimmen war. Die Elektronen besaßen eine Energie von 197 Gigaelektronvolt. Die Photonenerzeugung begann in der ersten Folie und setzte sich – bei ausreichender „Formationslänge“ (formation length) der Strahlung – in der zweiten Folie fort. Die Forscher vermaßen das entstandene Strahlungsspektrum. Elektronen, die in beiden Folien Photonen abgaben, erzeugten einen Peak im Spektrum, dessen Position mit dem Abstand der Folien korrelierte. Die Forscher konnten dann mechanisch die Strecke bestimmen, die ein Elektron benötigte, um ein Photon bestimmter Energie zu erzeugen.
In weiterführenden Experimenten wollen Uggerhøj und seine Kollegen die zweite Folie durch einen intensiven Laserstrahl ersetzen, der eine genauere Untersuchung des Strahlungsspektrums zuließe.
U. Aarhus / AIP / P. Hummel
