„Wie seltene Teilchen wechselwirken“

Im Weltall herrschen oftmals viel extremere Bedingungen als auf der Erde. Beispielsweise ist die Materie in Neutronensternen um ein Vielfaches dichter gepackt als die irdische Materie. Solche Sterne könnten zum Teil aus sogenannten Hyperonen bestehen – instabilen Teilchen, die auf der Erde nicht natürlich vorkommen. Laura Fabbietti von der TU München und ihren Kollegen gelang es nun zu untersuchen, wie diese Hyperonen mit anderen Teilchen wechselwirken. Im Interview mit Welt der Physik berichtet die Physikerin, wie sich die Teilchen mit dem ALICE-Experiment am Forschungszentrum CERN erzeugen lassen und was sich daraus über Neutronensterne lernen lässt.

Laura Fabbietti

Welt der Physik: Für welche Teilchen interessieren Sie sich besonders?

Laura Fabbietti: Ich erforsche Teilchen, die den Bestandteilen von Atomkernen, also Protonen und Neutronen, ähneln. Das Spannende an diesen Kernbausteinen ist, dass sie sich wiederum aus noch kleineren Teilchen – den sogenannten Quarks – zusammensetzen. Protonen und Neutronen bestehen aus jeweils drei Quarks. Es gibt allerdings insgesamt sechs verschiedene Quarks, die sich in ihren Eigenschaften wie etwa ihrer Masse unterscheiden. Und je nachdem, wie viele Quarks sich von welcher Sorte zusammentun, entstehen ganz verschiedene Teilchen.

Kommen alle möglichen Kombinationen von Quarks auch tatsächlich in der Natur vor?

Für unser Leben auf der Erde spielen nur Protonen und Neutronen, die sich aus den leichten Up- und Down-Quarks zusammensetzen, eine Rolle. Doch dass es Teilchen geben muss, die auch schwerere Quarks wie etwa das Strange-Quark enthalten, weiß man schon lange. Bereits in den 1950er-Jahren wurden sogenannte Hyperonen, die mindestens ein Strange-Quark enthalten, nachgewiesen. Allerdings sind sie sehr instabil und zerfallen unter den irdischen Bedingungen innerhalb kürzester Zeit in leichtere Teilchen.

Wenn sie nicht natürlich auf der Erde vorkommen, wo gibt es diese Teilchen dann?

In bestimmten Gegenden im Universum könnten sie tatsächlich eine Rolle spielen. Beispielsweise ist die Materie in Neutronensternen sehr stark komprimiert. Neutronensterne bestehen hauptsächlich aus Neutronen und haben typischerweise einen Radius von nur wenigen Kilometern. Zum Vergleich: Unsere Sonne hat einen Durchmesser von über einer Million Kilometer. Und obwohl Neutronensterne so viel kleiner sind, können sie das Doppelte der Sonnenmasse erreichen. Dadurch herrscht in einem Neutronenstern ein enorm hoher Druck.

Blick in das ALICE-Experiment

Und was hat dieser hohe Druck mit Hyperonen zu tun?

Forscher haben bereits berechnet, dass bei diesen extremen Drücken möglicherweise Hyperonen entstehen. Dass Neutronensterne auch aus Hyperonen bestehen, ist allerdings bislang nur eine Hypothese, die auch von der Wechselwirkung der Hyperonen mit Neutronen abhängt. Doch darüber ist bislang noch wenig bekannt. Um das genauer zu untersuchen, haben meine Kollegen und ich mit dem Teilchenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum CERN solche Hyperonen erzeugt und vermessen, wie sie mit Kernbausteinen wechselwirken.

Wie lassen sich diese instabilen Teilchen untersuchen?

Am Large Hadron Collider stoßen Teilchen bei enorm hohen Energien aufeinander, wodurch wiederum neue Teilchen – unter anderem Hyperonen – entstehen. Auch wenn sie dann nur für eine sehr kurze Zeit existieren, lassen sie sich dennoch mithilfe des Detektors am Experiment ALICE nachweisen. Um das Verhalten der Hyperonen besser zu verstehen, untersuchen wir, wie sie beispielsweise mit Protonen interagieren. Das können wir immer dann beobachten, wenn sie bei einer Kollision gleichzeitig mit Hyperonen entstehen.

Und wie interagieren die Teilchen?

Diese Teilchen wechselwirken über die sogenannte starke Wechselwirkung miteinander. Je nachdem, ob die Kraft anziehend oder abstoßend zwischen den Teilchen wirkt, landen die Teilchen entweder näher beieinander oder weiter voneinander entfernt auf dem Detektor. Mit unseren Experimenten ist es uns zum ersten Mal gelungen, die Wechselwirkung eines Protons mit einem sogenannten Xi-Hyperon zu detektieren. Ein Xi-Hyperon besteht aus zwei Strange-Quarks und einem Up- oder Down-Quark. Außerdem konnten wir kürzlich sogar erstmals untersuchen, wie Omega-Hyperonen – das sind die schwersten Hyperonen, die aus drei Strange-Quarks bestehen – mit Protonen interagieren. Das ist unser neuester Messerfolg.

Kommen diese Hyperonen auch in Neutronensternen vor?

Wir haben herausgefunden, dass diese besonderen Teilchen erst in Neutronensternen mit sehr hoher Dichte vorkommen können. Die Materie in einem Neutronenstern muss mehr als dreieinhalb Mal stärker zusammengepresst sein als die Materie in Atomkernen. Wir haben insgesamt einige Indizien, die nahelegen, dass die Wechselwirkung von Hyperonen mit Protonen und Neutronen wesentlich für Neutronensterne ist.