Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie stabil ist das Photon?

12.07.2013
Photonen, die Quanten der elektromagnetischen Strahlung, werden üblicherweise als masselos angenommen. Einfache Erweiterungen der Theorie erlauben aber eine von Null verschiedene Ruhemasse.

Als Konsequenz daraus könnten sie in noch leichtere Elementarteilchen zerfallen. Ein Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik hat berechnet, wie sich ein solcher Zerfall in der sehr alten kosmischen Hintergrundstrahlung äußern würde. Im Vergleich mit den präzisen Messdaten des COBE-Satelliten ergibt sich eine Untergrenze für die Lebensdauer des Photons zu drei Jahren. [Physical Review Letters, 11. Juli 2013]


a) Berechnetes Spektrum des kosmischen Mikrowellenhintergrunds für eine Lebensdauer des Photons von 1 Stunde (blau), 1 Tag (grün) und unendlich (schwarz). b) Differenz der Messdaten des COBE-Satelliten (dunkelblau) zum Fall unendlicher Lebensdauer (schwarze Nulllinie). Der rot schattierte Bereich ist die mit den Messdaten innerhalb der Fehlergrenzen mit 95% Wahrscheinlichkeit noch verträgliche Lebensdauer von mindestens 3 Jahren (rote Kurve). Für die Masse des Photons wurde die beste bekannte Obergrenze von 2∙10–54 kg angenommen. Grafik: MPIK

Sucht man in der Datensammlung der „Particle Data Group“ nach den Eigenschaften des Lichtteilchens, d. h. des Photons, so findet sich in dem bemerkenswert kurzen Eintrag: „Masse

Jedoch gibt es keinen zwingenden theoretischen Grund, der eine endlich große Masse des Photons verbieten würde und es existiert auch eine mathematische Beschreibung für diesen Fall. Auch wenn es exotisch klingt, lohnt es sich, die Konsequenzen eines massiven Photons zu betrachten, wie es Julian Heeck, Doktorand in der Gruppe von Werner Rodejohann am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), getan hat. Dazu zählt die Möglichkeit, dass das Photon in noch leichtere Elementarteilchen zerfällt. Ein Kandidat hierfür ist z. B. das leichteste der drei bekannten Neutrinos, welches sogar masselos sein könnte. Ein Photon mit einer – wenn auch winzigen – Masse würde sich im Vakuum fast – aber eben nur fast – mit „Lichtgeschwindigkeit“ bewegen. Das bedeutet, dass massive Photonen altern, aber aufgrund ihrer hochrelativistischen Bewegung für uns als Beobachter nur äußerst langsam. Je größer die Energie des Photons bzw. die Frequenz des Lichtes ist, umso mehr dominiert die relativistische Masse über die Masse eines ruhenden Photons.

Auf der Suche nach einem messbaren Effekt der Photonmasse und einem daraus resultierenden möglichen Zerfall bietet sich die kosmische Hintergrundgrundstrahlung an. Diese ist zum einen sehr ‚altes‘ Licht, denn sie stammt aus dem frühen Universum vor ca. 13,8 Milliarden Jahren – quasi das ‚Echo‘ des Urknalls. Zudem liegt sie im Mikrowellenbereich, ist also relativ niederenergetisch. „In meiner Betrachtung kommt es nicht darauf an, in was Photonen zerfallen, sondern nur auf deren Lebensdauer – sie ist also modellunabhängig“, so Julian Heeck. Der kosmische Mikrowellenhintergrund wurde Anfang der 1990er Jahre durch den COBE-Satelliten der NASA mit einer Genauigkeit von 10–4 vermessen und bietet daher einen guten Datensatz zum Test der Lebensdauer des Photons. Wegen der relativistischen Zeitdehnung ist das mögliche Defizit durch seit dem Urknall zerfallene Hintergrundphotonen umso größer, je niedriger deren Energie bzw. Frequenz ist.

Die Abbildung zeigt das von COBE gemessene Spektrum der Hintergrundstrahlung im Vergleich mit den Berechnungen von Julian Heeck. In die Abweichung vom idealen Spektrum des Mikrowellenhintergrunds ohne Photonenzerfall geht das Verhältnis von Ruhemasse und Lebensdauer des Photons ein. Innerhalb der Fehlertoleranz der Messdaten liegt bei einer angenommenen Masse von 2∙10–54 kg die Lebensdauer mit 95% Wahrscheinlichkeit bei mindestens 3 Jahren. Dies erscheint sehr kurz, man muss aber berücksichtigen, dass dieser Wert für ein hypothetisch ruhendes Photon gilt. Für ein hochrelativistisches Mikrowellenphoton würde die Lebensdauer dank der Zeitdilatation bei 3 Billiarden Jahren liegen, so dass es vom frühen Universum bis heute überleben kann.

Obwohl die Masselosigkeit Teil der allgemein akzeptierten Theorie des Elektromagnetismus (Quantenelektrodynamik) ist, erlauben einfache Erweiterungen ein massives Photon. Die Fragestellung ist daher an die experimentellen Befunde gebunden. Bisher lassen sich daraus nur Obergrenzen angeben und eine der Herausforderungen ist, zu verstehen, warum dieser Parameter so klein (wenn nicht gar Null) ist. Die prinzipielle Möglichkeit des Zerfalls eines Photons in Neutrinos ist wiederum eng mit den noch unbekannten Massen dieser ‚Geisterteilchen‘ verknüpft,, welche am MPIK sowohl theoretisch (u. a. in der Gruppe von Werner Rodejohann) als auch experimentell (GERDA-Experiment) untersucht werden.

Originalveröffentlichung:
How stable is the Photon?
Julian Heeck; Physical Review Letters 111, 021801 (2013)
doi: 10.1103/PhysRevLett.111.021801
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.111.021801
http://arxiv.org/abs/1304.2821
Kontakt:
Julian Heeck
Tel.: 06221/516-820
E-Mail: julian.heeck@mpi-hd.mpg.de
Dr. Werner Rodejohann
Tel.: 06221/516-824
E-Mail: werner.rodejohann@mpi-hd.mpg.de
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de/manitop
Gruppe MANITOP von Werner Rodejohann am MPIK
http://www.mpi-hd.mpg.de/lin
Abteilung Lindner am MPIK
http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe
Seite der NASA zu COBE

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck

18.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

BIAS erhält Bremens größten 3D-Drucker für metallische Luffahrtkomponenten

18.07.2018 | Verfahrenstechnologie

Verminderte Hirnleistung bei schwachem Herz

18.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics