Forscher der Universität Graz zeigen, wie Materie aus dem Nichts entstehen kann

Theoretische Physiker der Universität Graz und des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ermitteln ein extrem kurzes Zeitfenster, in dem aus starken elektrischen Feldern im Vakuum Materie in Form von Elektronen entstehen kann.

Masse kann in Energie und umgekehrt Energie in Masse umgewandelt werden. Dieses Grundgesetz der Äquivalenz von Masse und Energie geht auf die Spezielle Relativitätstheorie zurück, die Albert Einstein 1905 aufgestellt hat und mit seiner wohl berühmtesten Formel E=mc2 beschreibt. Sowohl Spaltung als auch die Fusion von Atomkernen sind reale Beispiele, wie aus wenig Masse gewaltige Energiemengen hervorgehen können. Doch nur in wenigen Experimenten gelang es bisher Masse aus Energie zu erzeugen. Einen theoretisch möglichen Pfad für die Bildung von Materie in Form von Elektronen und Positronen eröffnen extrem starke elektrische Felder in einem Vakuum, aus denen spontan diese Teilchen hervorgehen können. Genau dieses Phänomen konnten Matthias Diez und Reinhard Alkofer von der Universität Graz zusammen mit Christian Kohlfürst vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) nun mit äußerst präzisen Berechnungen detaillierter als bisher erklären.

Konkret kann eine extrem hohe elektrische Spannung in einem Vakuum dafür sorgen, dass sich Materie in Form von Elektronen und Positronen formt. Nötig sind dafür elektrische Spannungen von rund 1000 Billiarden Volt pro Meter – Werte, die selbst die Hochspannung von Blitzen um viele Größenordnungen übersteigen. Doch das hinderte Diez, Alkofer und Kohlfürst nicht, sich diesen extremen Bedingungen theoretisch mit komplexen Modellen und Berechnungen zu nähern.

Starke Spannungsfelder

Die Arbeit der Forscher zeigt, wie das Zeitfenster eingegrenzt werden kann, in dem aus starken elektrischen Feldern Materie entsteht. „Es dauert ein wenig, bis sich Elektronen und Positronen gebildet haben“, erklärt Kohlfürst, selbst ein Alumnus der Universität Graz. Doch so extrem stark die elektrischen Spannungsfelder sein müssen, so extrem kurz sind diese Zeitfenster. Länger als ein bis zwei Zeptosekunden – das sind ein bis zwei Billionstel einer Milliardstelsekunde – brauchen Elektronen und Positronen gemäß den numerischen Simulationen der drei Physiker nicht, bis sie aus der Leere des Vakuums in der Realität auftauchen.

Die Grundlage für diese Berechnungen lieferte Matthias Diez in seiner Masterthesis. „Die Ergebnisse dieser Abschlussarbeit sind so bedeutend, dass sie mich dazu veranlasst haben, meine Vorlesungsunterlagen zu überarbeiten“, erklärt Reinhard Alkofer, Professor am Institut für Physik, der auch die Masterthesis von Diez abgenommen hat.

„Diese Grundlagenforschung aus dem Bereich der Quantenelektrodynamik kann Impulse für zahlreiche Felder geben“, sagt Alkofer. Von der Festkörper- über die Astrophysik bis zu Plasmaforschung für zukünftige Fusionsreaktoren reichen die Einsatzgebieter dieser Berechnungen. Nun geht es darum, in weiteren Berechnungen die Grundlage zu bereiten, damit auch eine Umsetzung der Theorie in Experimenten denkbar ist. „Bisher gibt es keinen Laser, der dafür stark genug ist“, sagt Alkofer. Dafür brauche es weitere Forschung in dem Bereich. Sein Student Diez plant daher in seiner Dissertation an der Universität Graz an dem Thema weiterzuarbeiten.

Publikation:

M. Diez, R. Alkofer, C.Kohlfürst: “Identifying time scales in particle production from fields” Physics Letters B (2023). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269323003970

Roman Vilgut

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