Wir wissen, dass alle Materie aus Atomen besteht und dass Atome aus Protonen und Neutronen innerhalb des Kerns und Elektronen außerhalb bestehen. Aber im Gegensatz zu Elektronen sind Protonen und Neutronen zusammengesetzte Teilchen, da sie außerdem aus Quarks bestehen.
Quarks können nicht isoliert existieren. Sie können nur in Gruppen von zwei oder drei, wenn nicht mehr, gefunden werden. Solche Quarkklumpen nennt man Hadronen. Protonen und Neutronen sind gängige Beispiele. Physiker haben Quarks hauptsächlich anhand des Verhaltens von Hadronen untersucht und sind auch daran interessiert, wie Quarks zusammenklumpen.
Wenn Quarks verklumpen
Zwei aktuelle Erkenntnisse brachten diesbezüglich neue Erkenntnisse. In einer am 20. Februar veröffentlichten Studie wurde berichtet, dass sich Drei-Quark-Klumpen eher bilden als Zwei-Quark-Klumpen, wenn eine bestimmte Art von Quark dichter von anderen Teilchen umgeben ist. Laut dem internationalen Forscherteam, das diese Studie durchgeführt hat, lehnt das Ergebnis „konventionelle Modelle der Teilchenphysik ab, in denen die Konsolidierung von Quarks unabhängig von der Teilchenumgebung ist“.
Eine weitere Studie, die am 15. März veröffentlicht wurde, berichtete über die Beobachtung von Klumpen, die ausschließlich aus schwereren Quarks bestanden. Protonen und Neutronen sind Ansammlungen leichterer Quarks und daher langlebiger. Schwerquark-Klumpen sind sehr kurzlebig und schwieriger zu untersuchen und erfordern anspruchsvollere Werkzeuge und Rechenleistung. Ihr Verständnis ist jedoch wichtig, um unser Verständnis aller Quarks zu vervollständigen und darüber hinaus, wie diese schwer fassbaren Teilchen unser Wissen über die Kernfusion und das Schicksal der Sterne beeinflussen.
Tatsächlich könnte das Verständnis der Quarks im besonderen und ungewöhnlichen Fall von Quarksternen einen direkteren Einfluss haben.
Die Spannung jedes Sterns
Ein Stern ist eine Kugel aus Materie, die einen Weg gefunden hat, ein Gleichgewicht zwischen zwei Kräften herzustellen. Die Schwerkraft, die sich aus der Masse des Sterns ergibt, führt dazu, dass der Stern unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht und implodiert. Die Kernkraft, ausgedrückt in der explosiven Energie, die durch Fusionsreaktionen in seinem Kern freigesetzt wird, treibt den Stern in die Luft und treibt ihn nach außen. In einem Stern sind die beiden Kräfte gleichermaßen aufeinander abgestimmt und er leuchtet am Himmel.
Aber sobald einem Stern das Material zum Verschmelzen ausgeht, schwächt sich die Kernfusion ab und die Schwerkraft beginnt die Oberhand zu gewinnen. Schließlich wird der Stern „sterben“ und implodieren. Sein Schicksal im Jenseits hängt davon ab, wie groß und massereich es war, als es lebte und dadurch einen Weißen Zwerg, einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch bildete.
Wissenschaftler haben geschätzt, dass die Sonne, wenn sie 20-mal massereicher wäre, bei ihrem Tod in ein Schwarzes Loch kollabieren könnte. Wenn er nur achtmal schwerer wäre, könnte er ein Neutronenstern werden. Aber könnte es Sterne geben, die zu schwer sind, um einen Neutronenstern zu bilden, aber nicht zu schwer, um ein Schwarzes Loch und damit einen Quarkstern zu bilden?
Geben Sie „Quark-Materie“ ein.
Bei Neutronensternen verschmilzt die Kraft, mit der der Kern zusammenbricht, alle Protonen und Elektronen im Inneren zu Neutronen, daher der Name. Physiker verstehen Neutronensterne gut – auf dem Papier. Das Problem ist, dass sie in keinem Labor auf der Erde direkte Experimente damit durchführen können. Sie kennen auch weder die Massen noch die Radien der meisten Neutronensterne im Universum. Daher sind Astrophysiker sehr daran interessiert, sie zu untersuchen.
Die Materie im Inneren von Neutronensternen ist extrem dicht. Beispielsweise ist die Masse von zwei Sonnen in einer Kugel von nur 25 km Breite verpackt. Dadurch entsteht ein enormer Druck, der die Neutronen in einen neuen Materiezustand zwingen könnte.
Ein altes offenes Problem in der Physik fragt, ob dieser Zustand Quark-Materie sein könnte – wenn es keine Neutronen mehr, sondern nur noch Quarks gibt.
Im Dezember 2023 berichteten Forscher der Universität Helsinki in der Zeitschrift Naturkommunikation dass das Innere der meisten massereichen Neutronensterne mit einer Wahrscheinlichkeit von 80–90 % aus Quarkmaterie besteht.
Das Forschungsteam kombinierte astrophysikalische Beobachtungen mit theoretischen von Anfang an (von Grund auf) Berechnungen durchführten, um ein Modell zu entwickeln, das sie mit einem Supercomputer ausführten, und kamen zu diesem Ergebnis. Die Zahl dieser astrophysikalischen Beobachtungen war jedoch gering, sodass das Ergebnis nicht so zuverlässig ist. Astrophysiker benötigen mehr Beobachtungsdaten, um Quark-Materie und ihre genaue Entstehung zu verstehen.
Der Bedarf an Quarks
Eine beliebte Methode zur Berechnung der Masseneigenschaften eines Materials ist die Verwendung einer Zustandsgleichung – eine Gleichung, die, wenn sie mit Daten über einige der physikalischen Eigenschaften eines Materials gelöst wird, die Werte anderer Eigenschaften offenlegt. Für Neutronensterne ist dies die Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Gleichung: Sie ist sehr komplex, weist aber der Anwesenheit von Quarks in Neutronensternen eine Wahrscheinlichkeit zu.
Die Physik hat eine lange Tradition darin, den Dingen, die Physiker finden, skurrile Namen zu geben. Beispielsweise gibt es Quarks in sechs „Geschmacksrichtungen“ – drei werden als „Charm“ und „Seltsam“ bezeichnet; Quarks selbst haben eine Eigenschaft, die Farbladung genannt wird; und so weiter. Der Name „Quark“ selbst stammt vom Physiker Murray Gell-Mann, der diese Teilchen nach einer Zeile in James Joyces Meisterwerk von 1939 benannte: Finnegans Wake.
Protonen sind positiv geladen und verfügen daher über ein magnetisches Moment (eine durch ein Magnetfeld ausgeübte Drehkraft). Aber auch Neutronen haben ein magnetisches Moment, sind aber neutral geladen. Daher gingen Physiker in den 1960er Jahren davon aus, dass Neutronen aus kleineren Teilchen bestehen müssten, die das magnetische Moment erzeugen, deren elektrische Ladungen sich jedoch aufheben. Gell-Mann nannte sie Quarks und ihre Existenz wurde in den 1970er Jahren bestätigt.
Quarks freisetzen
Es gibt sechs Arten von Quarks: Up, Down, Top, Bottom, Strange und Charm. Jedes Quark kann eine von drei Arten von Farbladungen haben. Dann gibt es noch Antiquarks, ihre Antimaterie-Versionen. Ein Quark-Antiquark-Klumpen wird Meson genannt (sie vernichten sich nicht gegenseitig, da sie unterschiedlicher Art sind, z. B. Aufwärts + Anti-Abwärts). Drei-Quark-Klumpen werden Baryonen genannt und bilden die normale Materie, die uns umgibt.
Quarks werden außerdem durch eine weitere Gruppe von Teilchen zusammengehalten, die Gluonen genannt werden. Da die Kernkräfte sehr stark sind, sind Quarks immer fest aneinander gebunden und nicht frei, selbst im Vakuum des leeren Raums.
Die Kernkraft, die Quarks zusammenhält, wird durch eine Theorie namens Quantenchromodynamik erklärt. Sie sagt voraus, dass Kernmaterie bei ausreichend hohen (auf jeden Fall extremen) Energien „aufgelöst“ werden kann, um eine neue Phase der Materie zu erzeugen, in der Quarks nicht in Klumpen existieren müssen.
Physiker konnten Beweise für eine Dekonfinierung erhalten, indem sie in Maschinen wie dem Large Hadron Collider Bleiionen bei sehr hohen Energien gegeneinander schleuderten. Bei diesen Experimenten existiert für einen kurzen Moment ein Zustand der Materie, der Quark-Gluon-Plasma genannt wird; Das „Plasma“ bedeutet, dass die Quarks unabhängig sind. Nach der Urknalltheorie war das Universum mit diesem Plasma gefüllt, bevor sich die Teilchen verklumpten und die ersten Materieklumpen bildeten.
Dieser Verklumpungsprozess kann Energie freisetzen oder seine Umgebung so verändern, dass Astrophysiker nach einem Quarkstern suchen und ihn schließlich entdecken können. Bis dahin wird die Möglichkeit als eines der vielen offenen Probleme der Physik weiterleben.
Qudsia Gani ist Assistenzprofessorin am Fachbereich Physik des Government Degree College Pattan, Baramulla.
