Quarkfusion statt Kernfusion

Die Sonne erzeugt durch die Fusion von Wasserstoff- zu Heliumkernen große Mengen an Energie. Diesen Prozess wollen Forscher in Kernfusionsreaktoren kontrolliert ablaufen lassen – und damit eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle erschließen. Noch viel effizienter als die Kernfusion könnte aber – rein theoretisch – die Fusion von Quarks, den elementaren Bausteinen der Materie, sein. Das Konzept für eine solche Energiequelle stellten zwei Elementarteilchenphysiker nun in der Fachzeitschrift „Nature“ vor. Sie analysierten die Fusion von exotischen Teilchen, die aus besonders schweren Quarks bestehen. Im Vergleich zur herkömmlichen Kernfusion könnte dieser Verschmelzungsprozess die zehnfache Energiemenge liefern.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Jonathan Rosner von der University of Chicago berechnete Marek Karliner von der Universität Tel Aviv die Energiebilanz von Fusionsprozessen, in denen sogenannte Baryonen – Teilchen, die sich aus jeweils drei Quarks zusammensetzen – ihre Bestandteile untereinander austauschen und so neue Baryonen bilden. „Prinzipiell ist es möglich, aus der Neuanordnung von Quarks in einem Fusionsprozess Energie zu gewinnen“, sagt Karliner. Denn die Fusion läuft analog zur Verschmelzung von Wasserstoff- zu Heliumkernen ab: Ein winziger Anteil der Masse wird bei den Fusionsprozessen gemäß der Formel E = mc² in Energie umgewandelt und freigesetzt.

Die Idee der beiden Physiker basiert auf einer erst kürzlich gemachten Entdeckung am Teilchenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum CERN. Für eine extrem kurze Zeitspanne konnte dort ein Baryon aus einem Up-Quark und zwei deutlich schwereren Charm-Quarks nachgewiesen werden. Karliner und Rosner analysierten nun einen bisher rein theoretischen Fusionsprozess aus zwei Baryonen mit jeweils einem Up-, Down- und Charm-Quark: Nach einer Umordnung der Quarks könnte hieraus ein schweres Baryon aus zwei Charm-Quarks und einem Up-Quark sowie ein Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark entstehen. Dieser Prozess liefert rechnerisch eine Energie von zwölf Megaelektronenvolt, etwa genauso viel wie bei der Verschmelzung von zwei Wasserstoffkernen.

Die Forscher betrachteten zudem einen Fusionsprozess von Baryonen, die anstelle von Charm-Quarks die deutlich schwereren Bottom-Quarks enthalten. Die analog ablaufende Verschmelzung zu einem Neutron und einem Baryon aus zwei Bottom-Quarks und einem Up-Quark lieferte in der Berechnung wegen der deutlich größeren Bindungsenergien zwischen den Quarks sogar eine Energie von 138 Megaelektronenvolt – im Vergleich zur Wasserstofffusion mehr als die zehnfache Energiemenge.

Dass diese gewaltige Energiemenge jemals gewonnen werden kann, ist aus heutiger Sicht – wenn auch physikalisch prinzipiell möglich – eher unwahrscheinlich. Die extrem kurze Lebensdauer der schweren Baryonen wäre zwar kein Hindernisgrund, da die Fusionsprozesse auf einer noch kürzeren Zeitskala ablaufen. Allerdings würde man für einen noch fiktiven Quark-Fusionsreaktor große Teilchenbeschleuniger benötigen, um die schweren Baryonen – den Brennstoff für die Quarkfusion – zu erzeugen. Für die Teilchenphysik gibt diese theoretische Studie dennoch neue Impulse, da nun mit Experimenten an Beschleunigern nach bisher unentdeckten schweren Baryonen mit zwei Bottom-Quarks gesucht werden könnte.