Anti-Kaon statt Neutron: Physiker erschaffen neue Materieform

Durch einen Platztausch im Atomkern eines aus zwei Protonen und einem Neutron bestehenden Helium-3-Isotop ist es einem Physiker-Team mit heimischer Beteiligung gelungen, eine neue Materie-Form zu erzeugen. Zur Überraschung der Forscher konnte das Neutron durch ein Teilchen namens Anti-Kaon ersetzt werden, was einen sehr dichten Kern entstehen ließ, wie es im Fachblatt "Physics Letters B" heißt. Kaonen sind mittelschwere, subatomare Teilchen, die aus einem Quark-Antiquark-Paar bestehen. An der Erforschung ihrer Wechselwirkung mit Materie arbeiten Physiker vom Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik (SMI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) um Johann Zmeskal schon seit einigen Jahren u.a. am Nationalen Institut für Kernphysik in Frascati (Italien) oder in Kooperation mit japanischen Kollegen. Am J-PARC-Teilchenbeschleuniger (Japan Proton Accelerator Research Complex) nahe Tokio hat das Team, dem auch Forscher aus zahlreichen weiteren Ländern angehörten, ein Helium-3-Isotop mit negativ geladenen Kaonen beschossen.

"Kaonen kommen in sehr kleiner Zahl auch in der kosmischen Strahlung vor, hauptsächlich findet man sie aber in Teilchenbeschleunigern", erklärte Zmeskal im Gespräch mit der APA. Sie gehören zur Gruppe der Mesonen, wobei sich Anti-Kaonen aus einem Strange-Quark und einem negativ geladenen Antiup- oder einem neutralen Antidown-Quark zusammensetzen. Die uns umgebende sichtbare Materie besteht nur aus Up- und Down-Quarks. Entgegen ursprünglicher Annahmen haben diese stark wechelswirkenden Kaonen mit rund zehn Nanosekunden eine relativ lange Lebensdauer, was dem "neuen" Quark den Namen "strange" (auf Deutsch: seltsam) eingebracht hat. "Die Idee, dass dieses Kaon etwas im Atomkern bewirken könnte, ist relativ alt", sagte der Vizedirektor des SMI. So gab es bereits in den 1980er-Jahren Hinweise auf einen gebundenen Zustand zwischen einem negativ geladenen Kaon und einem Proton. Einige Jahre später entstand die Idee, dass das auch mit zwei Protonen möglich wäre. "Die Ergebnisse der dazu durchgeführten Messungen waren aber bisher sehr divergent", so Zmeskal.

Kurzlebig

Nun konnte genau das mit dem Experiment, zu dem die Wiener Wissenschafter vor allem Simulationen und Datenanalysen beigesteuert haben, erstmals "mehr oder weniger zweifelsfrei" nachgewiesen werden. Dabei schossen die Wissenschafter Anti-Kaonen mit hoher Energie in eine flüssige Helium-3-Targetzelle. Relativ selten trifft das Kaon das Neutron genau so, dass es herausgeschlagen und nachgewiesen werden kann, sagte Zmeskal. In manchen Fällen schaffte es das Anti-Kaon, die beiden dann nicht mehr aneinandergebunden übrigen Protonen sozusagen zusammenzuhalten und "einen gebundenen Zustand zu generieren".

Der so entstandene neue Kerncluster bleibt ebenfalls nicht lange stabil, überlebt aber lange genug, um seine erstaunlich große Bindungsenergie zu messen. Zmeskal: "Auf diese Weise können wir Kernmaterie mit hoher Dichte erzeugen und in Folgeexperimenten weitere Untersuchungen damit anstellen." Auf diese Weise könnte man relativ hohe Dichten bei annähernd Normaltemperaturen studieren. Das wäre dann ein erster Schritt, um etwa zu verstehen, wie die massereichen Neutronensterne aufgebaut sind. Darüber hinaus könnte die neue Materie-Form mehr Licht in die grundlegende Frage bringen wie die Masse des sichtbaren Universums zustande kommt.