Masse mit Licht steuern

Jedem Körper lässt sich eine Ruhemasse zuordnen, die unabhängig von seinem Bezugssystem ist. In der Festkörper- und Elementarteilchenphysik gibt es aber auch das Konzept der sogenannten „effektiven“ Masse, in der alle Wechselwirkungen eines Teilchens mit seiner Umgebung in einem einzigen, neuen Massenwert zusammengefasst werden. Das Teilchen wird dadurch scheinbarer schwerer oder leichter. In der aktuellen Ausgabe des Fachblattes „Physical Review Letters“ zeigt ein Team aus theoretischen Physikern mithilfe von Computersimulationen, wie Elektronen und Positronen mit unterschiedlichen effektiven Massen aus dem Nichts heraus erzeugt werden können.

Normalerweise befindet sich das Vakuum in einem energetischen Gleichgewicht. In einem extrem starken elektrischen Feld kann es hingegen spontan in Paare von Materie und Antimaterie zerfallen, erläutern die Forscher in ihrer Studie. Erzeugen ließe sich ein solches Feld etwa durch einen Hochintensitätslaser, dessen elektrisches Feld eine Größenordnung von Trillionen Volt pro Meter erreicht. Zum Vergleich: Selbst starke Blitze erreichen eine Feldstärke von maximal 200 000 Volt pro Meter. „Zwar sind heutige Laser noch nicht in der Lage, ein solches Experiment durchzuführen, jedoch können wir diesen Prozess präzise in Computerclustern simulieren“, betont Erstautor Christian Kohlfürst von der Universität Graz. In der Simulation des Vakuumzerfalls wird Energie des elektrischen Feldes gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc² in Materie – Elektronen und Positronen – umgewandelt. Die effektive Masse der Teilchen lässt sich dabei variieren, wie die Physiker nun zeigen konnten. Je stärker das simulierte elektrische Feld ist, desto schwerer sind die Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie, die das Vakuum hervorbringt.

Das Konzept der effektiven Masse geht ursprünglich auf die Festkörperphysik zurück. 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 Reinhard Alkofer von der Universität Graz, ebenfalls Autor der neuen Studie. Nicht zuletzt fügen sich die fundamentalen Massen der Elementarteilchen in dieses Schema ein: Sie können durch Wechselwirkung mit dem umgebenden Higgs-Feld verstanden werden, eine Erkenntnis, die kürzlich mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurde.

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, sei faszinierend, so das Team. 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.