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Blick ins Innere von Neutronensternen:
Bundesforschungsministerium bewilligt 1,35 Millionen Euro für die Zusammenarbeit zwischen experimenteller und theoretischer Teilchenphysik

Wie verhalten sich Atomkerne unter extremen Bedingungen, so wie sie z.B. im Inneren von Neutronensternen herrschen? Aus alltäglicher Erfahrung wissen wir, dass beispielsweise Wasser in verschiedenen Phasen auftreten kann – als Wasserdampf, Eis oder flüssiges Wasser. Gilt dies in ähnlicher Form auch für Kernmaterie? Gibt es neben dem sogenannten „Quark-Gluon-Plasma“, welches entsteht, wenn Kernmaterie stark erhitzt wird, weitere Erscheinungsformen? Und wo liegen die Phasenübergänge zwischen diesen Zustandsformen?

Dies sind nur einige der Fragestellungen, die im Rahmen des im Aufbau befindlichen CBM (Compressed Baryonic Matter) Experiments am zukünftigen Teilchenbeschleuniger FAIR in Darmstadt untersucht werden sollen. Neutronensterne sind die Überreste von gewaltigen Sternexplosionen (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 700 Metern Kantenlänge. Welche Zustände und Materieformen hierbei vorherrschen, können wir bestenfalls erahnen“, erläutert Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert. „Diese unter kontrollierten Bedingungen nachzubilden und zu vermessen, ist ein Ziel des CBM-Experiments“, ergänzt der Wissenschaftler der Bergischen Universität. Seine Arbeitsgruppe Astroteilchenphysik ist für den Aufbau einer zentralen Komponente des CBM RICH Detektors verantwortlich: einer 70-tausendfach pixelierten Photonenkamera, die pro Sekunde bis zu zehn Millionen Kollisionen hochenergetischer Gold-Kerne aufzeichnen kann.

Abb. 1: Einzelnes Auslesemodul für bis zu sechs Photosensoren (mit je 64 Pixeln) samt der neu entwickelten Ausleseelektronik mit 384 Kanälen pro Modul.
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Foto: G. Otto, GSI

„In den vergangenen Jahren konnten alle wesentlichen Entwicklungsarbeiten für den Aufbau des Detektors erfolgreich abgeschlossen werden. Eine aktuelle Förderung durch das Bundesforschungsministerium (BMBF) 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 Dr. 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 Prof. Dr. Zoltan Fodor, Prof. Dr. Kalman Szabo und ihren Mitarbeitern der Arbeitsgruppe Theoretische Teilchenphysik erarbeitet. Die grundlegende Theorie der einzelnen Nukleonen ist im Prinzip schon bekannt, wie die Arbeitsgruppe z.B. 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 (LHC) festgestellt werden konnte. „Die größte Herausforderung ist nun die Verallgemeinerung der Lösungsstrategie für die Dichten, die im CBM Experiment erreicht werden“, erläutert Prof. Dr. Zoltan Fodor. Und Prof. Dr. Kalman 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 Prof. Kampert daher auch am bereits existierenden Vorläufer-Experiment HADES an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) 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.

Die vom BMBF an beide Arbeitsgruppen bereitgestellten Mittel erstrecken sich über einen Zeitraum von drei Jahren und beinhalten insbesondere Personal- und Investitionsmittel. Der Bewilligung ging eine Begutachtung durch ein hochrangig besetztes internationales Expertengremium im Wettbewerb mit anderen deutschen Universitätsgruppen voraus.

Kontakt
Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert
E-Mail: kampert{at}uni-wuppertal.de
Tel.: 0202 439 2856

Prof. Dr. Zoltan Fodor
E-Mail: fodor{at}physik.uni-wuppertal.de
Tel.: 0202 439 2614

Abb. 2: Fertig installierte Ausleseelektronik für die 27.000 Auslesepixel des HADES-Experiments.
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Foto: G. Otto, GSI


Abb. 3: Die Photosensoren nach Einbau in den Detektor. Die sensitive Fläche beträgt etwa 1,2 Quadratmeter.
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Foto: G. Otto, GSI


Abb. 4: Erwartete Entropie- und Energiedichte der stark wechselwirkenden Materie als Funktion der Temperatur. Das kleine Bild zeigt die Schallgeschwindigkeit in dem Plasma.
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