Was passiert, wenn sich zwei Lichtteilchen treffen? Gar nichts. Lange stand in Schulbüchern, Licht breche sich nicht an Licht. Die Teilchen, aus denen es besteht (Photonen), würden frei durch die Gegend und im Ernstfall aneinander vorbei fliegen. Stimmt nicht, legen nun Forscher vom Cern nahe. Schon 2015 hatten sie in Experimenten am Genfer Teilchenbeschleuniger erste direkte Hinweise auf Kollisionen von Lichtteilchen gefunden. Nun, zwei Jahre später, haben sie diese offiziell (Nature Physics: Atlas Collaboration, 2017) veröffentlicht.

Unter vier Milliarden Kollisionen von Blei-Ionen, die im Beschleuniger stattfanden, erfassten die Forscher 13 Ereignisse, die sie für Photonen-Zusammenstöße halten. Für einen absolut sicheren Nachweis fehlen nach den hohen Standards der Physiker aber noch einige weitere Ereignisse. Laut Andreas Hoecker, dem stellvertretenden Leiter des Experiments, werden diese aber bei den nächsten Experimenten Ende 2018 erwartet.

Die Wechselwirkungen zwischen den Lichtteilchen entdeckten die Forscher eher beiläufig – während der Experimente mit den Blei-Ionen, die eigentlich einen anderen Zweck haben. An ihnen untersuchen die Forscher Plasma, wie es zur Entstehungszeit unseres Universums vorhanden war. Bei diesen Versuchen werden Blei-Ionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf Kollisionskurs gebracht. Wenn sie dabei knapp aneinander vorbeirasen, entsteht ein großes elektromagnetisches Feld, das ziemlich stark realen hochenergetischen Photonen entspricht. Durch die Erzeugung und sofortige Vernichtung virtueller Paare – sogenannter Elektronen und Positronen – entsteht die Wechselwirkung der Photonen der beiden aufeinander zu gerasten Blei-Ionen.

Diese Ereignisse seien sehr selten, sagte Hoecker. Dass sich daraus ein praktischer Nutzen etwa für den Quantencomputer ergibt, bezweifelt er. Dennoch: "Es könnte sein, dass nicht nur Elektronen und Positronen, sondern auch schwerere, noch unbekannte Teilchen produziert werden. Das nachzuweisen, wäre eine revolutionäre neue Physik", sagte er.

Geahnt hatten Physiker es schon lange

Vor gut 150 Jahren hatte der Physiker James Clerk Maxwell eine Gleichung zum Verständnis von Elektromagnetismus formuliert, wonach Lichtstrahlen sich nicht gegenseitig beeinflussen. Sie wurde zu einer Standardannahme der Physik. Dass daran etwas nicht stimmen kann, war spätestens klar, seitdem die deutschen Physiker Werner Heisenberg und Hans Euler im Jahr 1935 im Rahmen der Quantenelektrodynamik eine Vorhersage getroffen hatten, wonach in ganz seltenen Fällen doch die Möglichkeit einer Wechselwirkung zwischen Photonen besteht. Seit den Siebzigern waren solche Phänomene mehrfach indirekt, nie aber direkt gemessen worden.

Der Nachweis, dass sie das tun, galt aber als nahezu unmöglich. Deshalb gelten die nun veröffentlichten Ergebnisse schon jetzt als sehr bedeutend. Schon im Februar hatten erste Medien über den Erfolg berichtet.