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NEUTRONENSTERNE
Auf der Spur der Hyperonen
Redaktion / idw / Johannes Gutenberg-Universität Mainz
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2. Oktober 2006

Neutronensterne gehören zu den wohl merkwürdigsten Objekten im All: In einer Kugel mit nur einigen zehn Kilometern Durchmesser ist mehr als die Masse unserer Sonne zusammengeballt. Über die genaue Zusammensetzung dieser Sterne rätseln Physiker schon seit Jahren. Jetzt hoffen Wissenschaftler der Universität Mainz, dass ein leistungsfähigerer Beschleuniger neue Einsichten in das Innere von Neutronensternen liefert.

Krebs-Nebel

Der Krebsnebel mit dem Krebs-Pulsar, einem rotierenden Neutronenstern. Der Nebel ist der gasförmige und kompakte Überrest einer Supernova-Explosion aus dem Jahr 1054 nach Christus. Foto: NASA, ESA, J. Hester und A. Loll (Arizona State University) [mehr über dieses Bild]

Gleichzeitig in der Welt der kleinsten Teilchen und in den Weiten des Universums: Hier ist das Zuhause der Kernphysiker, die sich mit dem Aufbau unserer Materie beschäftigen, um dadurch auch die Phänomene des Weltalls zu erklären. Eine der brennendsten Fragen der Astrophysik etwa betrifft die Zusammensetzung von Neutronensternen. Neutronensterne entstehen, wenn ein Stern mit zumindest der 1,5- fachen Masse der Sonne explodiert und sich danach zusammenzieht bis er nur noch einen Durchmesser von 10 bis 30 Kilometern hat. Die Masse bleibt dabei die gleiche.

"Neutronensterne haben eine unglaublich hohe Dichte, zehn Mal so groß wie in einem normalen Atomkern", erklärt Dr. Josef Pochodzalla, Professor am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. "Damit wir dieses Phänomen verstehen, müssen wir mehr über die Wechselwirkung zwischen Hyperonen und den normalen Bauteilchen der Atomkerne wissen."

Erkenntnisse darüber erwarten sich die Mainzer Kernphysiker von der Inbetriebnahme der vierten Stufe des Elektronenbeschleunigers MAMI. Bei einer internationalen Konferenz vom 10. bis 14. Oktober werden sich rund 160 Wissenschaftler mit der Physik von Hyperkernen und Strangeteilchen in Mainz beschäftigen.

Hyperonen kommen in unserer normalen Materie nicht vor. Sie können im Elektronenbeschleuniger erzeugt werden, indem ein Elektron mit ausreichend hoher Energie auf ein Proton geschossen wird, so dass aus dem Proton zwei neue Teilchen entstehen: ein Kaon und ein Hyperon, die beide ein Strange-Quarkteilchen enthalten. Das ursprüngliche Elektron und das Kaon fliegen anschließend aus dem Atomkern raus und lassen das Hyperon zurück. Das Kaon dient den Physikern als Nachweis, dass dieses extrem seltene "Strangeness-Produktionsereignis" stattgefunden hat.

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"Das Ziel ist es, ein möglichst niederenergetisches Hyperon zu erzeugen, so dass es im Atomkern eingebaut wird", erläutert Pochodzalla. "So können wir Details über die Kernstruktur lernen und dadurch vielleicht auch dem Geheimnis der Neutronensterne auf die Spur kommen." Hyperkerne - das sind Atomkerne, die nicht nur die üblichen Protonen und Neutronen, sondern zusätzlich auch Hyperonen enthalten - bieten eine einzigartige Chance, um die Wechselwirkungen zwischen Hyperonen einerseits und Protonen und Neutronen andererseits zu untersuchen. Diese Informationen wiederum gelten als unerlässlich, um den inneren Kern von Neutronensternen zu verstehen.

Über die Zusammensetzung dieser Materie gehen die Vermutungen weit auseinander: Sie könnte aus zusammengepressten, gewöhnlichen Neutronen bestehen, aus Hyperonen oder aber aus freien Quarks, so die Spekulationen. Das Studium von Hyperkernen würde jedoch auch andere Rätsel lösen helfen. Es handelt sich hier um sehr kurzlebige Teilchen, die eine Lebensdauer von nur einer Milliardstel Sekunde haben. Wenn die Physiker den Zerfall untersuchen könnten, würden sie mehr über die schwache Wechselwirkung erfahren, eine der vier Grundkräfte in der Physik, und über die ersten Augenblicke bei der Entstehung unseres Universums.

Für die Experimente auf dem Gebiet der Hyperkernphysik wird in Mainz derzeit der Elektronenbeschleuniger, das Mainzer Mikrotron MAMI, mit einer vierten Stufe ausgebaut. Erste Tests zur Beschleunigung in MAMI-C sollen noch in diesem Jahr laufen. Mit dem Ausbau wird der Elektronenstrahl, der auf Protonen oder Neutronen zielt, von der bisherigen Energie von maximal 850 auf 1.500 Megaelektronenvolt (MeV) erhöht. Um das Kaon, das mit der Bildung des Hyperons einhergeht, dann zu entdecken, wird derzeit die bestehende Anlage aus drei magnetischen Spektrometern um ein neues Spektrometer namens Kaos ergänzt.

Ist es schon schwierig genug, ein Hyperon in den Atomkern einzuschließen, so ist es bisher fast unmöglich, einen Doppelhyperkern mit zwei Hyperonen zu schaffen. Bislang ist dies weltweit erst drei Mal gesichert gelungen. "Hier möchten wir in Zukunft zusammen mit der GSI in Darmstadt eine Massenproduktion aufbauen, sobald der Darmstädter Antiprotonenspeicherring fertig ist", kündigt Pochodzalla an. Falls Neutronensterne auch aus Hyperonen bestehen, wären Doppelhyperkerne der einzige Weg, um präzise Information über die Wechselwirkung zwischen zwei Hyperonen zu erhalten.

Mainz und künftig auch die GSI in Darmstadt gehören zu den weltweit bedeutenden Zentren der Hyperkernphysik neben dem Jefferson Lab in Virginia/USA, dem Hochenergiebeschleuniger KEK in Japan, FINUDA in Frascati/Italien und den Anlagen in Dubna/Russland. Mit den jüngsten Entwicklungen in diesen Einrichtungen und neuen Ergebnissen in der Hyperkern- und Strangeteilchenphysik wird sich auch die bevorstehende Konferenz "HYP2006", die  IX. International Conference on Hypernuclear und Strange Particle Physics, in Mainz befassen.

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siehe auch

Neutronensterne: Keine exotische Materie im Inneren - 30. Juni 2006
Krebsnebel: Rätsel um Entstehung gelöst - 12. Juni 2006
Neutronensterne: Sternenbeben enthüllt inneren Aufbau - 27. April 2006

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