Lorsque le physicien américain Arthur Compton découvrit que les ondes lumineuses se comportaient comme des particules en 1922, et pourrait faire tomber des électrons des atomes lors d'une expérience d'impact, ce fut une étape importante pour la mécanique quantique. Cinq ans plus tard, Compton a reçu le prix Nobel pour cette découverte. Compton a utilisé une lumière à ondes très courtes à haute énergie pour son expérience, ce qui lui a permis de négliger l'énergie de liaison de l'électron au noyau atomique. Compton a simplement supposé pour ses calculs que l'électron reposait librement dans l'espace.

Au cours des 90 années suivantes jusqu'à nos jours, de nombreuses expériences et calculs ont été menés sur la diffusion Compton qui ont continuellement révélé des asymétries et posé des énigmes. Par exemple, il a été observé que dans certaines expériences, l'énergie semblait être perdue lorsque l'énergie de mouvement des électrons et des particules lumineuses (photons) après la collision était comparée à l'énergie des photons avant la collision. Puisque l'énergie ne peut pas simplement disparaître, on a supposé que dans ces cas, contrairement à l'hypothèse simplifiée de Compton, l'influence du noyau sur la collision photon-électron n'a pas pu être négligée.

Pour la première fois dans une expérience d'impact avec des photons, une équipe de physiciens dirigée par le professeur Reinhard Dörner et le doctorant Max Kircher à l'université Goethe de Francfort a maintenant observé simultanément les électrons éjectés et le mouvement du noyau. Faire cela, ils ont irradié des atomes d'hélium avec les rayons X de la source de rayons X PETRA III de l'accélérateur DESY de Hambourg. Ils ont détecté les électrons éjectés et le reste chargé de l'atome (ions) dans un microscope à réaction COLTRIMS, un appareil que Dörner a aidé à développer et qui est capable de rendre visibles des processus réactifs ultrarapides dans les atomes et les molécules.

Les résultats étaient surprenants. D'abord, les scientifiques ont observé que l'énergie des photons diffusants était bien sûr conservée et était en partie transférée à un mouvement du noyau (plus précisément :l'ion). De plus, ils ont également observé qu'un électron est parfois éjecté du noyau lorsque l'énergie du photon en collision est en fait trop faible pour surmonter l'énergie de liaison de l'électron au noyau. Globalement, l'électron n'a été éjecté que dans la direction attendue dans une expérience d'impact de billard dans les deux tiers des cas. Dans tous les autres cas, l'électron est apparemment réfléchi par le noyau et parfois même éjecté dans la direction opposée.

Reinhard Dörner :« Cela nous a permis de montrer que l'ensemble du système du photon, l'électron et l'ion éjectés oscillent selon les lois de la mécanique quantique. Nos expériences offrent donc une nouvelle approche pour tester expérimentalement les théories de la mécanique quantique de la diffusion Compton, qui joue un rôle important, en particulier en astrophysique et en physique des rayons X."