20.12.2018

Blick ins Innere von Neutronensternen

Eine Photonenkamera für die Unter­suchung kompri­mierter bary­o­nischer Materie.

Wie verhalten sich Atomkerne unter den extremen Bedin­gungen, wie sie im Inneren von Neutronen­sternen herrschen? Gibt es neben dem Quark-Gluon-Plasma, welches ent­steht, wenn Kern­materie stark erhitzt wird, weitere Erschei­nungs­formen? Und wo liegen die Phasen­über­gänge zwischen diesen Zustands­formen? Das sind einige der Frage­stel­lungen, die im Rahmen des im Auf­bau befind­lichen Experi­ments „Com­pressed Bary­onic Matter“ CBM am zukünf­tigen Teil­chen­beschleu­niger FAIR in Darm­stadt unter­sucht werden sollen.

Abb.: Die Photosensoren nach Einbau in den RICH-Detektor. Die sensi­tive...
Abb.: Die Photosensoren nach Einbau in den RICH-Detektor. Die sensi­tive Fläche beträgt etwa 1,2 Quadrat­meter. (Bild: G. Otto, GSI)

Neutronensterne sind die Überreste von Super­novae. Bei einem Radius von nur zehn Kilo­metern be­inhalten sie so viel Masse wie ein bis drei Sonnen. „Ein Finger­hut Neutronen­stern­materie würde somit etwa so viel wiegen wie ein Eisen­würfel von sieben­hundert Metern Kanten­länge. Welche Zustände und Materie­formen hierbei vor­herrschen, können wir besten­falls erahnen“, erläutert Karl-Heinz Kampert von der Uni Wupper­tal. „Diese unter kon­trol­lierten Bedin­gungen nach­zu­bilden und zu ver­messen, ist ein Ziel des CBM-Experi­ments.“ Seine Arbeits­gruppe Astro­teil­chen­physik ist für den Auf­bau einer zentralen Kompo­nente des RICH-Detektors am CBM ver­ant­wort­lich, einer Photonen­kamera mit 70.000 Pixeln, die pro Sekunde bis zu zehn Milli­onen Kolli­sionen hoch­energe­tischer Gold-Kerne auf­zeichnen kann.

„In den vergangenen Jahren konnten alle wesent­lichen Ent­wick­lungs­arbeiten für den Auf­bau des Detektors erfolg­reich abge­schlossen werden. Eine aktu­elle Förde­rung durch das Bundes­forschungs­minis­terium in Höhe von 1,35 Milli­onen Euro ermög­licht uns nun, die Früchte der Arbeit der ver­gan­genen Jahre zu ernten und den Detektor in den kommenden drei Jahren auf­zu­bauen“, so Christian Pauly, Teil­projekt­leiter der Arbeits­gruppe.

Strategien zur Analyse der erwarteten Messdaten – beginnend von der Iden­tifi­ka­tion geeig­neter Beob­ach­tungs­größen bis hin zum Ver­gleich mit theo­re­tischen Vorher­sagen – werden von Zoltan Fodor, Kalman Szabo und ihren Mit­arbeitern der Arbeits­gruppe Theo­re­tische Teil­chen­physik erarbeitet. Die grund­legende Theorie der ein­zelnen Nukleonen ist im Prinzip schon bekannt, wie die Arbeits­gruppe etwa durch die promille­genaue Berech­nung der Masse des Protons und Neutrons durch Simu­la­tionen auf Höchst­leistungs­rechnern unter Beweis stellen konnte. Auch bei den extremen Tempe­ra­turen im Teil­chen­beschleu­niger hat sich die nume­rische Methodik bewährt, wie aus dem Ver­gleich mit Daten des Large Hadron Collider fest­ge­stellt werden konnte.

„Die größte Herausforderung ist nun die Ver­all­ge­meine­rung der Lösungs­strategie für die Dichten, die im CBM-Experi­ment erreicht werden“, erläutert Fodor. Und Szabo ergänzt: „Die Zustands­gleichung bei hohen Dichten zu bestimmen ist eine der schwie­rig­sten Auf­gaben der Theorie. Kombi­niert man diese Ergeb­nisse mit der all­ge­meinen Rela­ti­vi­täts­theorie, können wir die Radien von Neutronen­sternen auf­grund ihrer Massen bestimmen und sogar die maxi­male Masse vor­her­sagen.“

Bis zum Start des CBM-Experiments und der Über­prüfung der theo­re­tischen Vor­her­sagen im Jahr 2024 wird es jedoch noch etwas dauern. Neben dem CBM-Experi­ment ist die Arbeits­gruppe von Kampert daher auch am bereits exis­tie­renden Vor­läufer-Experi­ment HADES am GSI-Helm­holtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung beteiligt und hier eben­falls für den RICH-Photon-Detektor ver­ant­wort­lich. Die in enger Zusammen­arbeit mit der GSI durch­ge­führte Ent­wick­lung und der Auf­bau einer neu­artigen FPGA-basierten elek­tro­nischen Aus­lese­kette gemein­sam für beide Experi­mente eröffnen hierbei einzig­artige Synergien und eine besonders effi­ziente Ver­wen­dung der bereit­ge­stellten Forschungs­mittel.

BU Wuppertal / RK

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