KANN LICHT AN LICHT ABPRALLEN?

Lässt man zwei Taschenlampen so leuchten, dass sich ihre Strahlen kreuzen, läuft jeder Strahl weiter, als wäre der andere nicht da. Das ist das Superpositionsprinzip, ein Kernstück der Optik. Es gilt, weil die Gleichungen des Elektromagnetismus linear sind, und es entspricht der Alltagserfahrung.

Seit den Arbeiten von Euler, Heisenberg und Kockel in den 1930er-Jahren weiß die Physik, dass das Prinzip nicht ganz exakt ist. Die Quantenphysik füllt das Vakuum mit flüchtigen Fluktuationen – in der Quantenelektrodynamik virtuelle Paare aus Elektronen und Positronen. Über sie kann Licht Licht spüren. Daraus folgen zwei Konsequenzen: die Licht-Licht-Streuung, bei der ein Strahl Photonen eines anderen ablenkt, und die Vakuum-Doppelbrechung, bei der das Vakuum die Polarisation von Licht verändert, das ein starkes Feld durchquert. Keine von beiden wurde bisher bei niedriger Energie experimentell bestätigt, wo Photonen viel weniger Energie tragen als die Masse eines Elektrons.

Röntgenstrahlen gegen einen intensiven Laser

Die Kollaboration BIREF@HIBEF – etwa 80 Forschende, darunter Teams am Helmholtz-Institut Jena und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf – baute den Zusammenstoß am European X-Ray Free-Electron Laser im deutschen Schenefeld auf:

• der Pumpstrahl: der Laser ReLaX, Nahinfrarotpulse von 23 Femtosekunden mit 4 Joule, fokussiert auf einen Fleck von etwa 1,1 mal 1,4 Mikrometern, mit 7,7 × 10²¹ Watt pro Quadratzentimeter;
• der Probestrahl: Röntgenpulse von 8,766 keV mit jeweils etwa 100 Milliarden Photonen, frontal in den Pumpstrahl geschossen.

Das intensive Feld des Pumpstrahls sollte das Vakuum leicht polarisieren, und einige wenige Röntgenphotonen sollten mit umgeklappter Polarisation herauskommen. Selbst unter idealen Bedingungen ist das etwa ein Photon von 10¹³ – und diese Photonen fliegen in dieselbe Richtung wie die 100 Milliarden anderen.

Der Dunkelfeld-Aufbau: Ein Draht wirft einen Schatten in den Röntgenstrahl, das am Kollisionspunkt erzeugte Signal des Quantenvakuums passiert die Blende, und ein Strahlteiler trennt seine beiden Polarisationen. — Abbildung 1, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

Den Strahl im Schatten verstecken

Der Trick ist ein Dunkelfeld. Ein polierter Wolframdraht von 250 Mikrometern Dicke wird in den Röntgenstrahl gesetzt, bevor dieser fokussiert wird. Er wirft einen Schatten. Im Fokus verschwindet der Schatten; danach taucht er wieder auf – doch das bei der Kollision erzeugte Signal breitet sich in ihn hinein aus. Eine Blende von 40 Mikrometern blockiert dann den Hauptstrahl und lässt den Schattenbereich durch, und ein Germaniumkristall lenkt die beiden Polarisationen getrennt auf zwei photonenzählende Detektoren. Nur etwa 4 Röntgenphotonen von einer Billion des Hauptstrahls gelangten in den Kanal mit umgeklappter Polarisation.

Der Pumpstrahl feuert mit 0,5 Hertz, der Probestrahl mit 10 Hertz, sodass zu jeder Kollision 19 Referenzschüsse ohne Pumpstrahl gehören. Über 2.751 Kollisionen und 52.441 Referenzschüsse zählte der umgeklappte Kanal 0,4649 Photonen pro Schuss mit Pumpstrahl und 0,4636 ohne: kein Unterschied. Nach Abzug des Untergrunds betrug der Überschuss −0,0024 Photonen pro Schuss, verträglich mit null.

Eine Stille, die zehn Milliarden Mal mehr verrät

Um zu wissen, was die Stille bedeutet, simulierte das Team das gesamte Experiment, Strahl für Strahl und Linse für Linse, einschließlich der gemessenen Fehlausrichtung jedes einzelnen Schusses. Die Quantenelektrodynamik sagt für die ganze Messkampagne insgesamt nur 0,0008 Photonen im umgeklappten Kanal voraus: weit unter dem, was dieser Durchlauf nachweisen konnte.

Das Ergebnis ist eine Obergrenze. Mit 95 % Konfidenz beträgt die Licht-Licht-Streuung höchstens das 70.000-Fache des von der Quantenelektrodynamik vorhergesagten Werts, bei einer Kollisionsenergie von 116 Elektronenvolt. Ein Signal von mehr als 56 Photonen über die 2.751 Kollisionen hätte sich abgehoben. Frühere Experimente bei niedriger Energie hatten nur etwa zehn Milliarden Mal schwächere Grenzen erreicht.

Obergrenzen für die Licht-Licht-Streuung, relativ zur Quantenvorhersage (rote gestrichelte Linie bei 1): dieses Experiment bei 70.000, gegenüber früheren Experimenten bei niedriger Energie. — Abbildung 4, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

Die Lücke schließen

Die Lücke von 70.000 ist laut dem Team nicht unerreichbar. Würde ReLaX mit seinen veröffentlichten 8 Joule und 1 Hertz betrieben, ergäbe das in derselben Zeit 8-mal mehr Signal; eine Dunkelfeld-Geometrie, befreit von den Einschränkungen der jetzigen Anlage, würde die Untergrundunterdrückung um mehr als einen Faktor tausend verbessern; schnellere Detektoren würden einen weiteren Faktor zehn oder mehr gewinnen. Zusammen sollten diese Verbesserungen die erste direkte Laborbeobachtung von Licht ermöglichen, das an Licht gestreut wird – und dann die Messung der beiden Zahlen a und b, die die Quantenelektrodynamik der Antwort des Vakuums zuordnet.