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Sternleichen mit exotischem Kern

Durchsichtig wie Diamanten / Supraleitende Eigenschaften

Von Rainer Scharf

Neutronensterne sind in sich zusammengesunkene Überreste explodierter Sterne, deren Masse jener unserer Sonne vergleichbar ist, während ihr Durchmesser nur einige Dutzend Kilometer beträgt. In ihrem Zentrum herrscht ein so großer Druck, daß die Materie dort um ein Mehrfaches dichter ist als normale Kernmaterie. Unter diesem ungeheuren Druck zerplatzen die Neutronen. Es entsteht ein neuer, exotischer Materiezustand, der möglicherweise sowohl einem Supraleiter als auch einem Diamanten ähnelt. Dies zeigen Berechnungen von Krishna Rajagopal und Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.

Neutronen enthalten drei Quarks, ein Up-Quark und zwei Down-Quarks, die normalerweise durch sogenannte Gluonen fest aneinander gebunden sind. Unter dem enormen Druck, der im Kern eines großen Neutronensterns herrscht, lösen sie sich in einzelne Quarks auf. Ist die Materiedichte groß genug, können sich die Quarks frei umherbewegen, und es entsteht ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Neben den leichten Up- und Down-Quarks kommt in diesem Plasma auch das schwerere Strange-Quark vor, da sich die drei Quark-Arten ineinander umwandeln können. Früheren Berechnungen zufolge sollte das Quark-Gluon-Plasma zwar gleich viele Up- und Down-Quarks, aber viel weniger Strange-Quarks enthalten. Das sich einstellende Gemisch von Quarks wäre elektrisch positiv geladen. Da der Kern eines Neutronensterns elektrisch neutral ist, müßte er zusätzlich in ausreichender Menge negativ geladene, frei bewegliche Elektronen enthalten. Er hätte damit metallische Eigenschaften und wäre lichtundurchlässig.

Die Berechnungen von Rajagopal und Wilczek ergeben jetzt ein völlig anderes Bild ("Physical Review Letters", Bd. 86, S. 3492). Demnach bilden jeweils zwei Quarks unterschiedlicher Art, also etwa ein Up- und ein Strange-Quark, ein Paar. Voraussetzung dafür ist, daß sie gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Impulse haben. In ähnlicher Weise paaren sich die Elektronen in Supraleitern. Supraleitende Materialien haben gänzlich andere Eigenschaften als Metalle, in denen die Elektronen ungepaart sind. So fließt in Supraleitern der elektrische Strom völlig verlustfrei, und Magnetfelder werden aus Supraleitern herausgedrängt.

Auch im Quark-Gluon-Plasma führt die Paarung der Ladungsträger zu neuartigen Eigenschaften, vorausgesetzt, die nicht genau bekannte Masse des Strange-Quarks ist nicht wesentlich größer als jene des Up- und des Down-Quarks. Dann sollte sich ein Gemisch herausbilden, in dem alle drei Quark-Arten gleichberechtigt und in gleicher Teilchenzahl vorkommen. Dieses Quarks-Gemisch wäre elektrisch neutral und verhielte sich zudem ähnlich einem Supraleiter. Es wäre eine elektrisch neutrale Supraflüssigkeit, in der die Materie völlig reibungsfrei strömen könnte. Der Kern eines Neutronensterns, der dieses Quarks-Gemisch enthält, wäre gänzlich frei von Elektronen und hätte die optischen Eigenschaften eines perfekten Diamanten: Er wäre völlig durchsichtig.

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 06.06.2001, Nr. 129 / Seite N3

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