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Licht-an-Licht-Streuung ist ein exotischer Prozess mit überraschend großer Bedeutung für die Teilchenphysik. An der TU Wien zeigte man: Ein bisher unterschätzter Effekt spielt dabei eine wichtige Rolle.
Eigentlich können Lichtwellen einander problemlos durchdringen. Zwei Lichtstrahlen können sich gemäß den Gesetzen der Elektrodynamik am selben Ort aufhalten, ohne sich zu beeinflussen, sie überlagern sich einfach. Kämpfe mit Lichtschwertern, wie man sie aus Science-Fiction-Filmen kennt, sind in der Realität also eher langweilig.
Trotzdem sagt die Quantenphysik, dass es den Effekt der „Licht-an-Licht-Streuung“ gibt. Gewöhnliche Laser sind nicht stark genug, ihn nachzuweisen, am Teilchenbeschleuniger des CERN konnte er aber beobachtet werden. Buchstäblich aus dem Nichts können kurzzeitig virtuelle Teilchen entstehen, die dann mit den Photonen wechselwirken und ihre Richtung verändern. Der Effekt ist extrem klein, muss aber präzise verstanden werden, um Teilchenphysik-Theorien über aktuelle Experimente an Myonen überprüfen zu können. Ein Team der TU Wien konnte nun zeigen, dass ein bisher unterschätzter Aspekt dabei eine wichtige Rolle spielt: Der Beitrag der sogenannten Tensormesonen. Die neuen Ergebnisse wurden im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.
Virtuelle Teilchen aus dem Nichts
Wenn Photonen mit Photonen wechselwirken, dann können virtuelle Teilchen entstehen. Man kann sie nicht direkt messen, sie verschwinden sofort wieder. In gewissem Sinn sind sie ständig da und auch nicht da – die Quantenphysik erlaubt solche Überlagerungen von Zuständen, die einander nach unserem klassischen Alltagsverständnis ausschließen würden.
„Auch wenn diese virtuellen Teilchen nicht direkt beobachtet werden können, haben sie einen messbaren Effekt auf andere Teilchen“, erklärt Jonas Mager vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien, Erstautor der Studie. „Wenn man präzise berechnen will, wie sich reale Teilchen verhalten, dann muss man alle denkbaren virtuellen Teilchen korrekt berücksichtigen. Das macht diese Aufgabe so schwer – aber auch so interessant.“
Wenn Licht an Licht streut, kann es zum Beispiel dadurch passieren, dass sich ein Photon in ein Elektron-Positron-Paar umwandelt. Mit diesen beiden Teilchen können nun andere Photonen wechselwirken, bevor Elektron und Positron einander wieder gegenseitig vernichten und zu einem neuen Photon werden. Komplizierter wird die Sache, wenn schwerere Teilchen entstehen, die auch noch der starken Kernkraft unterworfen sind – zum Beispiel Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen.
„Von diesen Mesonen gibt es unterschiedliche Sorten“, sagt Jonas Mager. „Wir konnten nun zeigen, dass eine davon, die Tensormesonen, bisher deutlich unterschätzt wurden. Über den Effekt der Licht-an-Licht-Streuung beeinflussen sie die magnetischen Eigenschaften von Myonen, mit denen das Standardmodell der Teilchenphysik mit extremer Genauigkeit getestet werden kann.“ Sie kamen in früheren Berechnungen zwar vor, aber mit sehr groben Vereinfachungen. Ihr Beitrag stellte sich nun nicht nur als wesentlich stärker als bisher angenommen heraus – er hat außerdem auch ein anderes Vorzeichen als man bisher dachte, beeinflusst die Ergebnisse also in die entgegengesetzte Richtung.
Ungewöhnliche theoretische Methoden
Dieses Ergebnis behebt auch eine Diskrepanz, die sich im letzten Jahr zwischen den neuesten analytischen Rechnungen und alternativen Computersimulationen ergeben hatten. „Das Problem ist, dass herkömmliche analytische Rechnungen die starken Wechselwirkungen von Quarks nur in Grenzfällen gut beschreiben können“, sagt Anton Rebhan (TU Wien).
Das Team der TU Wien verwendete hingegen eine ungewöhnliche Methode – die holographische Quantenchromodynamik. Dabei werden Vorgänge in vier Dimensionen (also in drei Raumdimensionen und einer Zeit-Dimension) auf einen fünfdimensionalen Raum mit Gravitation abgebildet. Manche Probleme lassen sich dann in diesem anderen Raum leichter lösen, die Ergebnisse transformiert man dann wieder zurück. „Die Tensormesonen können dabei auf fünfdimensionale Gravitonen abgebildet werden, für die die Einstein‘sche Gravitationstheorie eindeutige Vorhersagen macht“, erklärt Anton Rebhan. „Damit haben wir nun Computersimulationen und analytische Ergebnisse, die gut zueinander passen, aber von bestimmten früheren Annahmen abweichen. Wir hoffen, dass wir dadurch auch einen neuen Anreiz liefern, die bereits geplanten Experimente an Tensormesonen zu beschleunigen.“
Das Standardmodell auf dem Prüfstand
Wichtig sind diese Analysen für eine der größten Fragen der Physik überhaupt: Wie zuverlässig ist das Standardmodell der Teilchenphysik? Darunter versteht man das allgemein akzeptierte quantenphysikalische Theoriegebäude, das alle heute bekannten Teilchensorten beschreibt, und alle Naturkräfte – bis auf die Gravitation.
An einigen speziellen Testfällen lässt sich die Exaktheit des Standardmodells besonders gut untersuchen, beispielsweise eben anhand von Messungen des magnetischen Moments von Myonen. Seit vielen Jahren wird gerätselt, ob bestimmte Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment auf „neue Physik“ jenseits des Standardmodells hindeuten, oder ob es sich doch um Ungenauigkeiten oder Fehler handelt. Die Diskrepanz beim Myon-Magnetmoment ist zuletzt sehr viel kleiner geworden – doch um wirklich nach neuer Physik suchen zu können, müssen auch die letzten theoretischen Unsicherheiten möglichst genau verstanden werden. Genau dazu trägt die neue Arbeit bei.
Dipl.-Ing. Jonas Mager
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13635
jonas.mager@tuwien.ac.at
Prof. Anton Rebhan
Institut für Theoretische Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13620
anton.rebhan@tuwien.ac.at
J. Mager et al., Longitudinal short-distance constraints on hadronic light-by-light scattering and tensor-meson contributions to the muon 𝑔−2, Physical Review Letters (Accepted 21 July, 2025). https://doi.org/10.1103/dxwr-gpsl
Licht wird an Licht gestreut - über virtuelle Teilchen
Copyright: TU Wien
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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