Positronen leuchten besser
Entdeckung: Leuchtstoffe werden von Elektronen schwächer angeregt als von ihren Antiteilchen

Leuchtstoffe
werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von
Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen
von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen
oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn
zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass
die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit
Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald
jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen
entdeckt.

"Wäre Antimaterie nicht so schwierig
herzustellen, könnte man auf eine Ära
hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die
Leuchtschirme nicht von Elektronen, sondern von Positronen angeregt
werden", meint Dr. Eve Stenson augenzwinkernd zu ihrer Entdeckung. "Das
ist aber leider nicht machbar". Trotzdem könnte es eine Zukunft für
Positronen-induzierte Lumineszenz geben.

Dazu
müsse man sich klarmachen, so Eve Stenson, warum Positronen Leuchtstoffe
so viel stärker anregen als gleich schnelle Elektronen: Beide,
Elektronen und Positronen, geben ihre Bewegungsenergie beim Aufprall an
das Leuchtmittel ab. Bei diesem Zusammenstoß werden Elektronen des
Leuchtstoffs aus einem tieferen auf ein höheres Energieniveau gehoben.
Beim Zurückfallen geben sie die freiwerdende Energie als Licht wieder
ab – der Stoff leuchtet an der getroffenen Stelle auf.

Im
Fall eines aufprallenden Positrons tritt jedoch noch ein zweiter Effekt
auf: Nachdem es seine Energie im Leuchtstoff abgegeben hat, kann sich
das Positron dort mit einem Elektron, seinem Antiteilchen, vernichten.
Es bleibt ein Loch im See der Elektronen des Leuchtstoffs, in das andere
Elektronen aus höheren Energieniveaus fallen können, was zu einer
nochmaligen Lichtaussendung führt. Insgesamt erklärt dies die höhere
Lichtausbeute der Positronen. "Dieses ‚zweite‘ Licht könnte jedoch auch
Informationen über die Materialeigenschaften des Leuchtstoffs und den
Mechanismus der Lumineszenz liefern", sagt Eve Stenson. Denn obwohl
lumineszierende Stoffe und Leuchtschirme seit Jahrzehnten verwendet
werden – in Fernsehern, Displays, Hinweisschildern, physikalischen
Sensoren oder als Nanopartikel in der Medizin – sind wichtige
physikalische Details ihres Verhaltens noch nicht geklärt.

Gefunden
hat Eve Stenson die unterschiedliche Wirkung von Elektronen und
Positronen, als sie den Leuchtschirm an einer Teilchen-Falle kalibrieren
wollte, die Elektronen oder auch Positronen speichern kann. Zu ihrer
Verblüffung ergaben sich für die beiden Teilchensorten zwei ganz
unterschiedliche Kurvenverläufe: Positronen einer Energie von einigen
zehn Elektronenvolt erzeugten in den von Eve Stenson untersuchten
Leuchtschirmen aus Zinksulfid oder Zinkoxid so viel Licht wie Elektronen
mit mehreren tausend Elektronenvolt: "Um das zu verstehen, fand ich
mich plötzlich auf einem ungeplanten Abstecher aus der Plasmaphysik tief
in die Festkörperphysik wieder". Denn sie musste feststellen, dass die
von Elektronen und Positronen ausgelöste Lumineszenz für niedrige
Energien bislang offensichtlich noch nie verglichen worden war, obwohl
beide Teilchensorten routinemäßig mit Leuchtschirmen
nachgewiesen werden.

Die Teilchenfalle
gehört zu einem gerade entstehenden experimentellen Aufbau, mit dem ein
Team unter Leitung von IPP-Wissenschaftler Professor Dr. Thomas Sunn
Pedersen erstmals ein Materie-Antimaterie-Plasma aus Elektronen und
Positronen herstellen will (siehe IPP-Presseinformation 3/2017).