CBM – Im Inneren eines Neutronensterns

Durch den Zusammenstoß von Atomkernen bei hohen Geschwindigkeiten können für winzige Sekundenbruchteile Zustände wie in den massiven Objekten simuliert werden.

Wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens in einer gewaltigen Supernova explodiert, dann bleibt in seinem Zentrum ein Neutronenstern übrig. Ein Neutronenstern hat zwar nur den Durchmesser einer Stadt, doch er wiegt rund eine Million Mal so viel wie die ganze Erde! Die Materie ist in einem Neutronenstern also unvorstellbar hoch verdichtet. Mit dem CBM-Experiment möchten Wissenschaftler herausfinden, wie sich die Materie bei solchen Dichten verändert. Ob sie sich zum Beispiel komplett in ihre elementaren Bausteine auflöst – zu einem sogenannten Quark-Gluon-Plasma, wie es ähnlich auch kurz nach dem Urknall vermutet wird.

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Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns.
Grafik: Penn State University

Aggregatzustände – die verschiedenen Formen von Materie

Aus dem Alltag wissen wir: Jeder Stoff kann in den unterschiedlichen Aggregatzuständen fest, flüssig oder gasförmig vorkommen. Dies hängt unserer Erfahrung nach von der Temperatur ab. Wasser zum Beispiel wird unter 0 Grad Celsius fest, es gefriert. Zwischen 0 Grad und 100 Grad Celsius ist es flüssig und über 100 Grad Celsius kocht es und wird gasförmig.

Doch der Aggregatzustand hängt nicht nur von der Temperatur ab, sondern auch vom Druck und damit von der Dichte des Stoffes. So kocht das Wasser auf dem Gipfel der Zugspitze schon bei 90 Grad Celsius, weil dort der Luftdruck geringer ist. Bei welchen Temperaturen und Dichten ein Stoff welchen Aggregatzustand einnimmt, ist deshalb so wichtig, weil es uns ein grundlegendes Verständnis über den Stoff liefert, das heißt über seine Materiebausteine und die im Inneren wirkenden Kräfte.

Im Feuerball

Im Inneren von Neutronensternen herrschen Dichten, die alle Dimensionen sprengen, die wir auf der Erde kennen. Wir wissen, dass dort die positiven Protonen und die negativen Elektronen zu neutralen Neutronen förmlich zusammengepresst werden – daher auch der Name Neutronenstern. Was im Zentrum des Neutronensterns, wo die Dichte am höchsten ist, geschieht, ist unbekannt. Lösen sich dort, was physikalische Modelle voraussagen, auch die Neutronen in eine Art super-dichte „Elementarteilchensuppe“ auf, in der sich Quarks und Gluonen frei bewegen können?

Mit dem Experiment CBM (Compressed Baryonic Matter) kann dies untersucht werden, denn dort wird solch hochkomprimierte Materie im winzigen Maßstab experimentell hergestellt. Dazu lassen die Wissenschaftler zwei schwere Atomkerne mit hoher Energie zusammenstoßen, sodass sie zu einem extrem dichten Feuerball zusammengepresst werden. Dieser Feuerball existiert zu kurz für eine direkte Untersuchung, aber die nachfolgende Explosion lässt sich beobachten.

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Grafik: GSI
Grafik: GSI
Grafik: GSI
Grafik: GSI

Dabei entstehen bis zu tausend neue, meist sehr kurzlebige Teilchen. Manche Teilchen zerfallen sofort wieder in Paare aus Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, wieder andere in Myonen-Paare, einer Art schwere Elektronen. Auf den Nachweis genau dieser Teilchen hat sich CBM spezialisiert. Denn sie spüren die Starke Kraft nicht, die im Feuerball vorherrscht. Somit können sie den Feuerball unbeeinflusst von der Starken Kraft verlassen und liefern direkte Informationen über seine Eigenschaften. So können die Wissenschaftler mit dem CBM-Experiment rückschließen, wie sich die Kernmaterie unter extrem hohen Dichten wie in einem Neutronenstern verhält.

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