Einstein in neuem Licht

Elementarteilchen können sich gelegentlich so verhalten, als hätten sie eine größere Masse. Einem Physiker-Team aus Graz und Jena gelang es, dieses Phänomen zu simulieren. Das Forschungsergebnis wurde in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals Physical Review Letters veröffentlicht.

Einsteins berühmte Formel E=mc² beschreibt den Zusammenhang von Energie und Masse: Je massereicher ein Objekt oder Teilchen und je schneller es sich bewegt, umso größer seine Energie. „Die Masse eines Körpers ist dabei eine feste Größe, zumindest unserer Alltagserfahrung nach“, macht Prof. Dr. Holger Gies, theoretischer Physiker an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, deutlich. Dennoch hat sich in der Wissenschaft das Konzept einer „effektiven“ Masse für Elementarteilchen durchgesetzt. Das heißt, die Masse eines Teilches kann sich durch Wechselwirkung mit seiner Umgebung effektiv verändern. Beispielsweise können sich Elektronen innerhalb von Kristallen so verhalten, als hätten sie vorübergehend eine größere Masse. „Selbst den größten Teil unseres Körpergewichts, welches von den Kernen der Atome getragen wird, können wir als kollektive Effekte von sehr viel leichteren Grundbausteinen – den Quarks – verstehen“, erklärt Ko-Autor Univ.-Prof. Dr. Reinhard Alkofer, Sprecher des Forschungsschwerpunkts „Modelle und Simulation“ der Karl-Franzens-Universität Graz.

Um die effektive Masse auch „dingfest“ zu machen, muss sie allerdings mit einer Messgröße verknüpft werden können. Zu diesem Zweck haben die theoretischen Physiker aus Graz und Jena nun einen Effekt studiert, der besonders empfindlich von der Masse abhängt: den spontanen Zerfall des Vakuums. „In einem extrem starken elektrischen Feld kommt es zu einem spontanen Zerfall des Vakuums in Paare von Materie und Antimaterie“, erläutert der Doktorand Christian Kohlfürst, MSc., der im Rahmen des Grazer FWF-Doktoratskollegs „Hadronen im Vakuum, Kernen und Sternen“ ein gefördertes Auslandssemester in Jena absolviert hat. In ihrer Publikation zeigen die Physiker mit Hilfe von Computersimulationen, wie Elektronen und Positronen – das sind positiv geladene Elektronen – mit unterschiedlichen „effektiven“ Massen erzeugt werden können.
In der Simulation des Vakuumzerfalls ist Einsteins berühmte Formel E=mc² am Werk: Denn die Energie des elektrischen Feldes wird in die Masse der entstehenden Teilchen umgewandelt. Und wie die Physiker aus Graz und Jena zeigen konnten, lasse sich die Masse der Teilchen variieren: Je stärker das simulierte elektrische Feld ist, desto schwerer sind die Zwillings-Paare aus Materie und Antimaterie, die das zerfallende Vakuum hervorbringt.
Das Forscherteam hofft nun, dass seine Simulationen in künftigen Laserexperimenten bestätigt werden. Der Gedanke, dass sogar die Massen der Elementarteilchen mit Licht gesteuert werden können, ist für die Wissenschafter außerordentlich faszinierend. Für praktische Anwendungen im Alltag tauge diese Erkenntnis aber nicht. „Es wäre aussichtslos zu versuchen, auf diese Weise etwa den eigenen Körper zum Wunschgewicht bringen zu wollen“, so die Forscher mit einem Augenzwinkern.

Original-Publikation:
Kohlfürst C et al. Effective mass signatures in multiphoton pair production, Physical Review Letters 2014
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.112.050402
http://arxiv.org/abs/arXiv:1310.7836
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.050402