Subtypen von Photonen

Es soll untersucht werden, ob Photonen, die bei der Paarzerstrahlung eines bestimmten Teilchen-Antiteilchen-Paar entstanden sind, bei einer Paarbildung wieder dasselbe Teilchen-Antiteilchen-Paar bilden. Ein positiver Ausgang des Experiments wäre ein Indiz, dass es verschiedene Subtypen von Photonen gibt, die sich dahingehend unterscheiden, aus welchem Teilchen-Antiteilchen-Paar sie bestehen.

Hintergrund

Unser Modell, welches die bekannten Elementarteilchen des Standardmodells auf ein universelles Elementarteilchen zurückführt, beschreibt die Wechselwirkungsbosonen als Kopplungen von zwei Fermionen. Photonen bestünden demnach aus einem Fermion und seinem zugehörigen Antiteilchen, die durch einen noch unbekannten Kopplungsmechanismus verbunden sind. Wenn dieses Modell richtig ist, sollte es verschiedene Subtypen von Photonen geben, die sich darin unterscheiden, aus welchem Teilchen-Antiteilchen-Paar sie bestehen. 

Bei der Paarzerstrahlung treffen ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander und vernichten sich gegenseitig unter Bildung von zwei energiereichen Photonen. Beim umgekehrten Prozess der Paarbildung kann ein energiereiches Photon in Gegenwart eines dritten Teilchens (z.B. eines Atomkerns) in ein Teilchen und sein Antiteilchen umgewandelt werden. Paarbildung wurde zuerst für Elektronen und Positronen beobachtet, ist aber auch für Myonen und Antimyonen oder Protonen und Antiprotonen bekannt. Aus Gründen der Energieerhaltung muss die Energie des Photons mindestens den doppelten Wert der Ruheenergie des erzeugten Teilchens haben, damit das Teilchen-Antiteilchen-Paar entstehen kann. 

Unsere Modellüberlegungen legen nahe, dass aus einem Photon, welches durch Paarzerstrahlung eines Quarks und dem zugehörigen Antiquark entstanden ist, kein Elektron-Positron-Paar entstehen kann. Denn nach unserem Modell müssen das Teilchen, das an der Bildung des Photons beteiligt war, und das Teilchen, das aus diesem Photon später gebildet wird, hinsichtlich ihrer elektrischen Ladung identisch sein. Unser Modell ließe jedoch zu, dass aus einem Photon, das durch Zerstrahlung eines Myon-Antimyon-Paares gebildet wurde, ein Elektron-Positron-Paar entsteht, da die Ladungswerte in beiden Fällen gleich sind. Soweit uns bekannt, wurde die Frage jedoch bislang nicht experimentell untersucht, ob Photonen, die bei der Paarzertrahlung eines bestimmten Teilchen-Antiteilchen-Paar entstanden sind, bei einer Paarbildung wieder dasselbe Teilchen-Antiteilchen-Paar bilden. 

Realisierbarkeit

Voraussetzung für eine experimentelle Klärung wäre die "sortenreine" Erzeugung von Photonen, die ausschließlich durch eine bestimmte Vernichtungsreaktion eines Teilchens mit seinem Antiteilchen entstehen. Benötigt würden z.B. Photonen aus der Paarvernichtung von Myonen und Antimyonen (elektrische Ladung entspricht betragsmäßig der Elementarladung) und Photonen aus der Paarzerstrahlung eines Quark und seines Antiquark (elektrische Ladung von 1/3 oder 2/3 der Elementarladung). Solche Paarvernichtungsreaktionen lassen sich an Teilchenbeschleunigern bekanntlich realisieren; ob eine "sortenreine" Abtrennung von Photonen daraus möglich ist, wäre von Teilchenphysikern zu beurteilen. 

Aus den sortenrein abgetrennten Photonen müssten in einem zweiten Schritt durch Interaktion mit Materie Teilchen-Antiteilchen-Paere erzeugt und detektiert werden. Diese Aufgabe müsste auf dem Stand der Technik lösbar sein. Alternativ wäre auch denkbar, zu versuchen, die Photonen in starken elektrischen Feldern zu "zerreißen" und die entstehenden Teilchen-Antiteilchen-Paare zu bestimmen.