När den amerikanske fysikern Arthur Compton upptäckte att ljusvågor beter sig som partiklar 1922, och kunde slå ut elektroner ur atomer under ett nedslagsexperiment, det var en milstolpe för kvantmekaniken. Fem år senare, Compton fick Nobelpriset för denna upptäckt. Compton använde mycket kortvågigt ljus med hög energi för sitt experiment, vilket gjorde det möjligt för honom att försumma elektronens bindningsenergi till atomkärnan. Compton antog helt enkelt för sina beräkningar att elektronen vilade fritt i rymden.

Under de följande 90 åren fram till idag, många experiment och beräkningar har utförts med avseende på Compton-spridning som ständigt avslöjade asymmetrier och ställde gåtor. Till exempel, det observerades att i vissa experiment, energi verkade gå förlorad när rörelseenergin hos elektronerna och ljuspartiklarna (fotoner) efter kollisionen jämfördes med fotonernas energi före kollisionen. Eftersom energi inte bara kan försvinna, det antogs att i dessa fall, i motsats till Comptons förenklade antagande, kärnans inverkan på foton-elektronkollisionen kunde inte försummas.

För första gången i ett nedslagsexperiment med fotoner, ett team av fysiker ledda av professor Reinhard Dörner och doktorand Max Kircher vid Goethe-universitetet i Frankfurt har nu samtidigt observerat de utstötta elektronerna och kärnans rörelse. Att göra så, de bestrålade heliumatomer med röntgenstrålar från röntgenkällan PETRA III vid Hamburgs acceleratoranläggning DESY. De upptäckte de utstötta elektronerna och den laddade resten av atomen (jonerna) i ett COLTRIMS reaktionsmikroskop, en apparat som Dörner varit med och utvecklat och som kan synliggöra ultrasnabba reaktiva processer i atomer och molekyler.

Resultaten var överraskande. Först, forskarna observerade att energin från de spridande fotonerna naturligtvis bevarades och delvis överfördes till en rörelse av kärnan (mer exakt:jonen). Dessutom, de observerade också att en elektron ibland slås ut ur kärnan när energin hos den kolliderande fotonen faktiskt är för låg för att övervinna elektronens bindningsenergi till kärnan. Övergripande, elektronen kastades bara ut i den riktning man skulle förvänta sig i ett biljardexperiment i två tredjedelar av fallen. I alla andra fall, elektronen till synes reflekteras av kärnan och ibland till och med stöts ut i motsatt riktning.

Reinhard Dörner:"Detta tillät oss att visa att hela systemet av foton, utstötta elektroner och joner oscillerar enligt kvantmekaniska lagar. Våra experiment ger därför ett nytt tillvägagångssätt för experimentell testning av kvantmekaniska teorier om Compton-spridning, som spelar en viktig roll, särskilt inom astrofysik och röntgenfysik."