Einsteins Formel in neuem Licht Physiker simulieren die effektive

URL: http://www.uni-jena.de/Mitteilungen/Archiv/Archiv+1_2014/PM140214_Massensimulation.pdf
Einsteins Formel in neuem Licht
Physiker simulieren die effektive Masse von Elementarteilchen
Einsteins berühmte Formel E=mc2 beschreibt den Zu−sammenhang von Energie und Masse: Je
massereicher ein Objekt oder Teil−chen und je schneller es sich bewegt, umso größer seine
Energie. "Anders als die Geschwindigkeit ist dabei die Masse eines Körpers eine feststehende
Größe, zumindest unserer Alltagserfahrung nach", macht Prof. Dr. Holger Gies von der
Friedrich-Schiller-Universität Jena und dem Helmholtz-Institut Jena deutlich. Dennoch, so der
theoretische Physiker weiter, habe sich in der mo−dernen Physik das Konzept einer "effektiven"
Masse für Elementarteilchen durchgesetzt. Demnach kann sich die Masse eines Teilchens durch
Wechsel−wirkung 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 Prof. Dr. Reinhard Alkofer von der Uni Graz, ebenfalls Autor einer neuen
gemeinsamen Studie und Experte für die Theorie der starken Kernkraft. Nicht zuletzt fügen sich die
fundamentalen Massen der Ele−mentarteilchen in dieses Schema ein: sie können durch
Wechselwirkung mit dem umgebenden Higgs-Feld verstanden werden. Diese Erkenntnis wurde
kürzlich mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.
Der spontane Zerfall des Vakuums
Um die effektive Masse auch "dingfest" zu machen, muss sie allerdings mit einer Messgröße
verknüpft werden können. Nicht immer gelingt dies den Phy−sikern: beispielsweise wurde
jahrzehntelang diskutiert, ob die effektive Masse, die der russische Physiker Volkov 1935 für das
Elektron im Feld eines starken Lasers eingeführt hat, tatsächlich gemessen werden kann. 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, etwa erzeugt durch einen Hoch−intensitätslaser,
komme es zu einem spontanen Zerfall des Vakuums in Paare von Materie und Antimaterie,
erläutert das Forscherteam. In der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachblattes Physical
Review Letters zeigen die Physiker mit Hilfe von Computersimulationen, wie Elektronen und
Positronen mit unter−schiedlichen "effektiven" Massen erzeugt werden können. "Zwar sind heutige
Laser noch nicht in der Lage, ein solches Experiment durchzuführen, jedoch können wir diesen
Prozess präzise in Computer-Clustern simulieren", betont Physik-Doktorand Christian Kohlfürst. Er
hat für die aktuelle Studie seine Heimat-Uni Graz gegen die Jenaer Institute eingetauscht und hier
ein Aus−lands−semester verbracht.
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Die Masse der Teilchen lässt sich variieren
In der Simulation des Vakuumzerfalls ist Einsteins berühmte Formel E=mc2 am Werk: Denn die
Energie des elektrischen Feldes wird in die Masse der entste−hen−den Teilchen umgewandelt.
Und wie die Physiker aus Jena und Graz in ihren Simulationen 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 Laserexperi−menten bestätigt
werden. Der Gedanke, dass sogar die Massen der Elementar−teilchen mit Licht gesteuert werden
können, ist für die Wissenschaftler außeror−dentlich faszinierend. Für praktische Anwendungen im
Alltag tauge diese Er−kennt−nis 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, URLs: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.112.050402 und
http://arxiv.org/abs/arXiv:1310.7836
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.050402
Kontakt:
Prof. Dr. Holger Gies
Theoretisch-Physikalisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtz-Institut Jena
Fröbelstieg 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947190
E-Mail: [email protected]
Meldung vom: 14.02.2014 10:01 Uhr
Physiker simulieren die effektive Masse von Elementarteilchen
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