Von Quarkmaterie zu Neutronensternen

Theoretischen Untersuchungen zufolge gehen Quarks bei sehr niedrigen Tempera­turen in einen farb­supra­leitenden Zustand über, der der Materie völlig neue Eigen­schaften verleiht. Dieser Zustand ähnelt dem Über­gang eines Elek­tronen­gases in einen elek­trischen Supra­leiter – nur dass Quarks statt Elek­tro­nen sich zu Paaren formen und eine Energie­lücke im Anre­gungs­spektrum aus­bilden. Anders als bei einem herkömm­lichen Supra­leiter leitet ein Farb­supra­leiter in der Regel aber nicht elek­trische Ströme ohne Wider­stand, sondern die Farb­ladung der Quarks. Diese Ladung bestimmt letzt­lich die Stärke der Wechsel­wirkung zwischen diesen kleinsten Materie­bau­steinen des Uni­ver­sums.

Andreas Geißel (l.) und Jens Braun vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt

Quelle: Patrick Bal / TU Darmstadt

Die Bildung von Quark­paaren und die daraus resul­tie­ren­de Ener­gie­lücke ver­ändern das Ver­hal­ten der Mate­rie grund­legend. Selbst relativ schwache Paa­rungs­ef­fekte haben deut­liche Aus­wir­kungen auf die Mate­rie und deren ther­mo­dy­na­mische Eigen­schaf­ten.

Andreas Geißel, Tyler Gorda und Jens Braun unter­suchen diese Ef­fek­te im De­tail. Sie be­rech­nen Kor­rek­tur­bei­träge, die aus Paar­bil­dung und Wech­sel­wir­kungen der Quarks ent­ste­hen, und be­rück­sich­ti­gen da­bei die spe­zi­fi­schen Be­ding­ungen im In­nern von Neu­tro­nen­ster­nen. Damit kann das For­schungs­team schließ­lich so­wohl den ther­mo­dy­na­mi­schen Druck als auch die Schall­ge­schwin­dig­keit in farb­su­pra­lei­ten­der Quark­ma­te­rie be­stim­men.

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Wie die Ergeb­nis­se zei­gen, ist der farb­su­pra­lei­ten­de Zu­stand bei ho­hen Dich­ten ther­mo­dy­na­misch be­vor­zugt. Außer­dem führt die­ser Zu­stand zu ei­ner sig­ni­fi­kan­ten Er­hö­hung der Schall­ge­schwin­dig­keit, ein di­rek­tes Maß für die me­cha­ni­sche Sta­bi­li­tät von Ma­te­rie. Aus den Be­rech­nung­en er­gibt sich un­ter an­de­rem, dass die Schall­ge­schwin­dig­keit im In­nern von Neu­tro­nen­ster­nen mehr als sech­zig Pro­zent der Licht­ge­schwin­dig­keit be­tra­gen könn­te, also mehr als 180.000 Kilo­me­ter pro Se­kun­de. Die­ser Wert wirkt um­so im­po­san­ter, wenn man ihn mit der Schall­ge­schwin­dig­keit im här­tes­ten ir­di­schen „All­tags­mate­rial”, dem Dia­man­ten, ver­gleicht. Diese ist 10.000-mal klei­ner.

Numerische Simula­tio­nen deuten außer­dem darauf hin, dass solch hohe Schall­geschwin­dig­keiten not­wendig sind, um die Stabi­li­tät der masse­reichs­ten be­kann­ten Neu­tro­nen­sterne zu er­klären. Die Ar­beit von Geißel, Gorda und Braun legt nun nahe, dass farb­supra­lei­tende Mate­rie einen wich­ti­gen Bau­stein für die Erklä­rung masse­rei­cher Neu­tronen­sterne dar­stellt und gleich­zeitig die Beob­achtung der­selben hilft, die Energie­lücke im Quark­spektrum präzi­ser einzu­grenzen. [TU Darmstadt / dre]