Herkömmliche Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Zerlegt man diese Atombausteine weiter, stellt man fest, dass sie sich aus insgesamt drei sogenannten Up- und Down-Quarks zusammensetzen. Neben drei weiteren Quark-Arten, den Charm-, Top- und Bottom-Quarks, existieren auch noch die Strange-Quarks. Diese seltsamen Partikel haben bei Kollisionen von Elementarteilchen eine vergleichsweise lange Lebensdauer.

Ersetzt man ein Up- oder Down-Quark eines Protonens oder Neutrons durch ein solches Strange-Quark, dann erhält man ein Hyperon. Atomkerne, in denen ein oder mehrere Hyperonen eingebaut sind, heißen Hyperkerne. Sie lassen sich mithilfe von Teilchenkollisionen an Beschleunigern erzeugen. Diese durchaus exotischen Hyperkerne will man nun mithilfe des WASA-Detektors, einem neuen Messgerät am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, näher unter die Lupe nehmen.

Hyperkerne in Neutronensternen

"Die Hyperkerne könnten Licht auf die Vorgänge im Inneren von Neutronensternen werfen. Nach aktuellen Vorhersagen sollten Hyperkerne dort sehr zahlreich vorkommen", sagt Takehiko Saito, leitender Wissenschafter beim Forschungsprojekt NUSTAR. Allerdings sind einige ihrer Eigenschaften noch nicht hinreichend genau bekannt. Unter anderem wollen die Forscher in den geplanten Experimenten die Bindungsenergie und die Lebensdauern von verschiedenen Hyperkernen genauer bestimmen sowie neue Variationen entdecken, wie sie im Fachjournal "Nature Reviews Physics" schreiben. "Dazu hat das schon früher bei GSI/FAIR durchgeführte HypHI-Experiment bereits entscheidende Vorarbeiten geleistet, stieß nun aber an seine Grenzen."

Das aktuelle Messgerät verspricht daher bessere Ergebnisse und neue Informationen zu liefern. Der Detektor hat eine höhere Nachweiseffizienz für die Messung aller Zerfallsprodukte der Hyperkerne. In Zukunft wird auch die FAIR-Anlage, die gerade errichtet wird, umfassende neue Möglichkeiten zur Erforschung der Hyperkerne eröffnen."

Riesige Kugel mit Stacheln

Der WASA-Detektor (Wide Angle Shower Apparatus) erlaubt die Verfolgung einer großen Anzahl von Teilchenspuren aus hochenergetischen Kernkollisionen. So ist das Instrument dann auch eine riesige, fast geschlossene Kugel, die innen mit einer Vielzahl von Messgeräten bestückt ist, die teils wie Stacheln nach außen ragen. Im Inneren steckt ein supraleitender Solenoid-Magnet, der mit flüssigem Helium auf vier Kelvin abgekühlt werden muss. Die meisten Teile des Detektors werden derzeit durch die internationale WASA@FRS-Kollaboration modernisiert. Einen großen Anteil an der Entwicklung und den Verbesserungen des Detektors trägt dabei das japanische Team der Kollaboration. (red, 23.10.2021)