Lichtverstrooiing: de fysica van lichtzwaarden

Deze formule beschrijft de totale effectieve doorsnede van de zogenaamde “Halpern-dispersie”. Het is genoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Otto Halpern, die dit fenomeen voor het eerst beschreef in 1931. Om het te begrijpen, moet men de klassieke natuurkunde achter zich laten en zich wenden tot kwantumelektrodynamica – de beschrijving van elektromagnetisme in termen van kwantummechanische velden. Licht is hier geen klassieke golf meer, maar bestaat uit optische quanta, de fotonen. In de context van de kwantumveldentheorie kan een foton transformeren in een deeltje-antideeltje-paar, die elkaar bijna onmiddellijk opheffen en weer een foton produceren. Hoewel deze “kwantumfluctuaties” de hele tijd voorkomen, spelen ze geen rol in de klassieke beschrijving van licht. Ze bestaan ​​echter wel en maken de “verstrooiing” van licht op licht mogelijk – dus theoretisch ook een lichtzwaard.

Waar zien we de verstrooiing van licht?

Bij Halpern-verstrooiing kan het deeltje-antideeltje-paar van het ene foton interageren met een ander foton. De door de formule beschreven dwarsdoorsnede is indirect evenredig met de achtste macht van de massa van de paren gegenereerde deeltjes. Daarom vind je het symbool terug in de formule M_H, elektronenmassa. Direct bewijs van Halpern-verstrooiing werd pas in 2015 geleverd bij de deeltjesversneller van het Europese nucleaire onderzoekscentrum CERN. De geladen loodatomen daar werden versneld en mochten met elkaar interageren. Dit creëert sterke elektromagnetische velden en fotonen die door deze velden worden geëxciteerd, kunnen zich op elkaar verstrooien. Er kunnen in totaal 13 processen worden gedetecteerd. De effecten van Halpern-verstrooiing zijn echter ook te zien als je de ruimte in kijkt.

Veel astronomische processen produceren gammastraling, dat wil zeggen fotonen met hoge energie. Terwijl ze door het universum reizen, kunnen ze interageren met fotonen van het extragalactische achtergrondlicht, een extreem zwak, diffuus licht dat sinds de vorming van het universum door alle sterren en sterrenstelsels is uitgestraald. Hoogenergetische gammafotonen worden eerder verstrooid door achtergrondlicht, waardoor hun energie afneemt. Met andere woorden, op zeer lange afstanden maakt Halpern-verstrooiing het universum ondoorzichtig voor hoogenergetisch licht.