Teilcheninteraktionen in Neutronensternen verstehen

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Ein Neutronenstern - der Kern eines Sterns, der in einer massiven Supernova aufg
Ein Neutronenstern - der Kern eines Sterns, der in einer massiven Supernova aufgegangen ist
Neutronensterne können viel schwerer sein, als die Theorie vorhersagt. Schuld daran sind vermutlich Hyperonen, wenig verstandene Elementarteilchen. Neue Simulationen sollen Theorie und Experiment in Einklang bringen.

Neutronensterne zählen zu den dichtesten Objekten des Universums. Die Vorgänge in ihrem Inneren geben der Teilchenphysik Rätsel auf. Beobachtungen und Theorie passen nicht zueinander. Schuld daran könnte ein mangelndes Verständnis der sogenannten Hyperonen sein - Teilchen, die einen besonderen Bestandteil, das Strange-Quark, besitzen. Sie sind instabil und daher schwer zu untersuchen. John Bulava von der Ruhr-Universität Bochum will ihnen mithilfe von Computersimulationen auf die Schliche kommen. Der Europäische Forschungsrat ERC fördert seine Arbeiten im Rahmen eines Consolidator Grants mit knapp zwei Millionen Euro für fünf Jahre. Das Projekt ,,Strange Nuclear Matter from First-Principles Hadron Scattering Amplitudes", kurz StrangeScatt, soll im Juni 2024 starten.

Mit teilchenphysikalischen Modellen lässt sich vorhersagen, wie schwer Neutronensterne werden können und welchen Radius sie besitzen. ,,Diese Modelle prognostizieren, dass sehr schwere Neutronensterne nicht vorkommen können", erklärt John Bulava, der in Bochum die Professur für Theoretische Hadronenphysik innehat. ,,Allerdings wurden schon Neutronensterne gefunden, die zweimal schwerer als unsere Sonne sind - diese Beobachtungen passen nicht zu den Modellen."

Hyperonen-Interaktionen simulieren

Der Grund für die Unstimmigkeiten dürften die Hyperonen sein. Also jene Teilchen mit Strange-Quark, die im Inneren von Neutronensternen entstehen. ,,Die Interaktionen der Hyperonen sind nicht gut verstanden", so Bulava. Materie, wie wir sie im Alltag erleben, besteht aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus kleineren Teilchen bestehen, den Quarks. Quarks gibt es in sechs Sorten; zwei davon - die upund down-Quarks - kommen in klassischer Materie vor. ,,Wenn strange-Quarks im Spiel sind, wie bei den Hyperonen, können alle möglichen neuen Sachen passieren", weiß John Bulava und ist Überzeugt: ,,Wenn wir die Hyperonen-Interaktionen besser verstehen würden, könnten wir auch Masse und Radius der Neutronensterne besser vorhersagen." Genau hier setzt seine Arbeit an.

Große Rechenpower erforderlich

Da Hyperonen sehr schnell zerfallen, können sie experimentell schwer untersucht werden. In Computersimulationen besteht diese Hürde nicht. Bulava beschreibt die Teilchen mit sogenannten First-principles-Simulationen. Dabei stellt er im Modell die fundamentalen Kräfte nach, die zwischen Teilchen wirken. Solche Simulationen sind extrem aufwendig und erfordern eine enorme Rechenpower, wie sie nur Hochleistungscomputer bieten. ,,Deutschland ist ein exzellenter europäischer Standort für diese Arbeiten, weil es hier mehrere Supercomputer gibt", sagt der gebürtige US-Amerikaner.


Aufgrund des großen Aufwands lassen sich mit Frist-principles-Simulationen nur die Interaktionen von zwei bis drei Teilchen berechnen. John Bulava plant jedoch, seine Arbeiten an der Ruhr-Universität Bochum mit der weiterer Gruppen aus der Theoretischen Physik, der Plasmaforschung und der Astrophysik zu verzahnen. ,,Neutronensterne sind ein fantastisches astrophysikalisches Labor, dem wir uns an der Ruhr-Universität Bochum aus verschiedenen Perspektiven nähern können", sagt er.

John Bulava studierte Physik und Mathematik in den USA an der George Washington University und der Carnegie Mellon University. An letzterer schloss er 2009 seine Promotion ab. Es folgten mehrere Forschungsstationen an unterschiedlichen europäischen Instituten, zunächst am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY), dann in der Schweiz am CERN. 2013 wurde Bulava Assistant Professor am Trinity College Dublin in Irland. 2019 wechselte er an die University of Southern Denmark, zunächst als Assistant Professor, später als Associate Professor. 2021 kehrte er noch einmal ans DESY zurück, bevor er 2023 die Professur für Theoretische Hadronenphysik an der Ruhr-Universität Bochum antrat.



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