Koinzidenzmethode: Signale zeitlich zuordnen

Eine Quelle kann zwei zeitlich korrelierte Photonen erzeugen: Ihre Emissionszeiten hängen zusammen. Eines dient als Triggerphoton, das andere als Messphoton. Die Laufzeiten von Licht und elektrischen Signalen müssen berücksichtigt und nötigenfalls durch Verzögerungen ausgeglichen werden. Ein zu enges Fenster verliert echte Partnersignale; ein unnötig breites lässt mehr Zufallstreffer zu.

Echte Koinzidenzen entstehen durch Signale, die zu demselben physikalischen Prozess gehören. Beim Compton-Effekt können beispielsweise ein gestreutes Photon und das zugehörige Rückstoßelektron zeitlich korreliert registriert werden. Eine Zufallskoinzidenz entsteht, wenn unabhängige Signale zufällig in dasselbe Zeitfenster fallen. Ein gemeinsames Zeitfenster allein beweist daher noch keinen gemeinsamen Ursprung.

In Einzelphotonenversuchen beschreibt Antikoinzidenz ein beobachtetes Muster: Ein einzelnes Photon wird hinter einem Strahlteiler höchstens an einem der beiden Ausgänge nachgewiesen. Es kann wegen Verlusten auch ganz unentdeckt bleiben. Über viele Trigger hinweg sind Einzelnachweise vorhanden, während gemeinsame Ausgangssignale gegenüber einer geeigneten Vergleichserwartung unterdrückt sind. Formulierungen wie „perfekte Antikoinzidenz“ beschreiben ein ideales Ergebnis. In realen Messungen müssen unter anderem Restkoinzidenzen, unkontrollierte Signale, Detektoreffizienzen und Messunsicherheiten betrachtet werden. Eine einzelne fehlende Doppeldetektion genügt nicht als belastbarer Nachweis.

Beim Compton-Effekt lassen sich Photon und Rückstoßelektron zeitlich verbinden: Bothe und Geiger berichteten 1925 über getrennte Detektoren für Rückstoßelektronen und gestreute Photonen beim Compton-Effekt. Die Koinzidenzen zeigten einen starken zeitlichen Zusammenhang beider Nachweise. Wegen der unvollständigen Photonendetektion musste dabei nicht jedes Elektronensignal von einem Photonensignal begleitet werden.

Mit passend angeordneten Zählrohren lässt sich die Richtung kosmischer Teilchen auswählen: Durchläuft dasselbe Teilchen mehrere passend angeordnete Zählrohre, lösen diese kurz nacheinander aus. Nur Teilchen aus bestimmten Richtungen können alle Detektoren treffen. Die Geometrie des Aufbaus und die Koinzidenzbedingung wirken deshalb gemeinsam als Richtungsfilter.

Auch Einzelphotonen lassen sich untersuchen: Ein angekündigtes Messphoton kann auf einen Strahlteiler treffen. Entscheidend ist der Vergleich: Sind gemeinsame Ausgangsnachweise seltener, als aus den einzelnen Nachweiswahrscheinlichkeiten bei unabhängigen Signalen zu erwarten wäre? Bloß wenige Doppelnachweise reichen nicht, denn auch schwaches klassisches Licht kann nur selten beide Detektoren auslösen. Ein Strahlteiler verteilt Licht auf zwei Wege. Werden diese in einem geeigneten Interferometer wieder zusammengeführt, kann Interferenz entstehen. Bei einem Versuch mit einem Schirm werden einzelne Photonen punktweise registriert. Erst viele akzeptierte Ereignisse ergeben eine räumliche Häufigkeitsverteilung mit Maxima und Minima. Die Koinzidenzmethode sorgt dabei dafür, dass nur zum Trigger passende Nachweise in die Verteilung eingehen. Eine aussagekräftige Untersuchung braucht eine klare Ereignisregel.