Toen de Amerikaanse natuurkundige Arthur Compton in 1922 ontdekte dat lichtgolven zich als deeltjes gedragen, en elektronen uit atomen kunnen slaan tijdens een inslagexperiment, het was een mijlpaal voor de kwantummechanica. Vijf jaar later, Compton ontving de Nobelprijs voor deze ontdekking. Compton gebruikte zeer kortegolf licht met hoge energie voor zijn experiment, waardoor hij de bindingsenergie van het elektron aan de atoomkern kon verwaarlozen. Compton ging er voor zijn berekeningen eenvoudig van uit dat het elektron vrij in de ruimte rustte.

Gedurende de volgende 90 jaar tot heden, er zijn talloze experimenten en berekeningen uitgevoerd met betrekking tot Compton-verstrooiing die voortdurend asymmetrieën en raadsels aan het licht brachten. Bijvoorbeeld, werd waargenomen dat in bepaalde experimenten, energie leek verloren te gaan wanneer de bewegingsenergie van de elektronen en lichtdeeltjes (fotonen) na de botsing werd vergeleken met de energie van de fotonen vóór de botsing. Omdat energie niet zomaar kan verdwijnen, aangenomen dat in deze gevallen in tegenstelling tot de vereenvoudigde veronderstelling van Compton, de invloed van de kern op de foton-elektronenbotsing kon niet worden verwaarloosd.

Voor het eerst in een inslagexperiment met fotonen, een team van natuurkundigen onder leiding van professor Reinhard Dörner en promovendus Max Kircher aan de Goethe-universiteit Frankfurt heeft nu gelijktijdig de uitgeworpen elektronen en de beweging van de kern waargenomen. Om dit te doen, ze bestraalden heliumatomen met röntgenstralen van de röntgenbron PETRA III in de Hamburg-versnellerfaciliteit DESY. Ze ontdekten de uitgeworpen elektronen en de geladen rest van het atoom (ionen) in een COLTRIMS-reactiemicroscoop, een apparaat dat Dörner heeft helpen ontwikkelen en dat ultrasnelle reactieve processen in atomen en moleculen zichtbaar kan maken.

De resultaten waren verrassend. Eerst, de wetenschappers constateerden dat de energie van de verstrooiende fotonen natuurlijk behouden bleef en gedeeltelijk werd overgebracht naar een beweging van de kern (meer precies:het ion). Bovendien, ze zagen ook dat een elektron soms uit de kern wordt geslagen wanneer de energie van het botsende foton eigenlijk te laag is om de bindingsenergie van het elektron aan de kern te overwinnen. Algemeen, het elektron werd slechts in tweederde van de gevallen uitgestoten in de richting die men zou verwachten bij een biljartinslagexperiment. In alle andere gevallen, het elektron wordt schijnbaar gereflecteerd door de kern en soms zelfs in de tegenovergestelde richting uitgestoten.

Reinhard Dörner:"Hierdoor konden we aantonen dat het hele systeem van fotonen, uitgestoten elektron en ion oscilleren volgens de kwantummechanische wetten. Onze experimenten bieden daarom een ​​nieuwe benadering voor het experimenteel testen van kwantummechanische theorieën over Compton-verstrooiing, die een belangrijke rol speelt, vooral in astrofysica en röntgenfysica."