Mehr Energie durch Fusion schwerer Baryonen

  • 01. November 2017

Neuanordnung schwerer Quarks in exotischen Elementarteilchen mit positiver Energiebilanz.

Am Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum Cern gelang dieses Jahr erstmals der Nachweis eines Baryons aus einem Up- und zwei Charm-Quarks. Es hatte eine Masse von 3621 Mega­elektronen­volt, knapp das Vierfache eines Protons. Von dieser Entdeckung und der großen Bindungs­energie zwischen den beiden Charm-Quarks inspiriert, entwickelten nun zwei Elementar­teilchen­physiker das Konzept einer Art Quark-Fusion analog zur Fusion von zwei Wasserstoff­kernen zu einem Heliumkern. Ihre Berechnungen zeigten, dass je nach Masse der beteiligten Quarks die Energie­ausbeute aus solchen Fusions­prozessen zehnmal größer sein könnte als bei der herkömmlichen Kernfusion.

Abb.: Prinzip einer Fusion von Baryonen aus besonders schweren Quarks. Diese Prozesse könnten theoretisch bis zu zehnmal mehr Energie liefern als die Fusion von Wasserstoff- zu Heliumkernen. (Bild: M. Karliner & J. L. Rosner)

Abb.: Prinzip einer Fusion von Baryonen aus besonders schweren Quarks. Diese Prozesse könnten theoretisch bis zu zehnmal mehr Energie liefern als die Fusion von Wasserstoff- zu Heliumkernen. (Bild: M. Karliner & J. L. Rosner)

Marek Karliner von der Tel Aviv University und sein Kollege Jonathan L. Rosner von der University of Chicago berechneten die Energiebilanz von Fusions­prozessen, in denen Baryonen einzelne Quarks untereinander austauschen und neue, noch schwerere Baryonen bilden. „Prinzipiell ist es möglich, aus der Neuanordnung von Quarks in einem Fusions­prozess Energie zu gewinnen“, sagt Karliner. Denn die entstandenen Baryonen mit starken Bindungs­energien weisen nach dem Fusions­prozess eine etwas verringerte Masse auf. Je größer diese Massen­differenz ist, desto mehr Energie kann freigesetzt werden. Diese Fusion läuft prinzipiell analog zur Verschmelzung von Wasserstoff- zu Helium­kernen ab, bei denen die enthaltenen Protonen und Neutronen untereinander ausgetauscht werden und sich neu anordnen.

Im Detail analysierten Karliner und Rosner einen bisher rein theoretischen Fusions­prozess aus zwei Baryonen mit jeweils einem Up-, Down- und Charm-Quark. Dabei könnte nach einer Umordnung der Quarks ein schweres Baryon aus zwei Charm-Quarks und einem Up-Quark sowie ein Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark entstehen. Die Bindungs­energie zwischen den beiden Charm-Quarks bezifferten die Forscher mit 129 Mega­elektronen­volt (MeV). Diese Fusion setzt rechnerisch eine Energie von zwölf MeV frei, etwa genauso viel wie bei der Verschmelzung von zwei Wasserstoff­kernen. Die Fusion von einem Gramm schwerem Wasserstoff einer Deuterium-Tritium-Mischung kann eine thermische Energie liefern, die der Verbrennung von 12,3 Tonnen Steinkohle entspricht.

Danach gingen die beiden Forscher noch einen Schritt weiter und betrachteten einen Fusions­prozess von Baryonen, die anstelle von Charm-Quarks die noch deutlich schwereren Bottom-Quarks enthielten. Die analog ablaufende Verschmelzung zu einem Neutron und einem Baryon aus zwei Bottom-Quarks und einem Up-Quarks lieferte in der Berechnung wegen der noch größeren Bindungs­energie zwischen den Bottom-Quarks von 281 MeV und einer größeren Abnahme der Masse sogar 138 MeV Energie. Das ist mehr als das Zehnfache der herkömmlichen, in Fusions­reaktoren wie dem in Bau befindlichen ITER in Südfrankreich angestrebten Wasserstoff­fusion.

Ob diese gewaltige Energiemenge jemals gewonnen werden kann, ist aus heutiger Sicht aber eher unwahrscheinlich, wenn auch physikalisch prinzipiell möglich. Die extrem kurze Lebenszeit der schweren Baryonen von etwa 10-10 Sekunden wäre kein Hindernis­grund, da die Fusions­prozesse und die Neuanordnung von Quarks auf einer 100 milliardenfach kürzeren Zeitskala ablaufen. Allerdings benötigte man für einen noch fiktiven Quark-Fusions­reaktor zusätzlich große Teilchen­beschleuniger, um die schweren Baryonen, also den Brennstoff für die Fusion auf dem Quark-Level, erst zu erzeugen.

Für die Teilchenphysik gibt diese theoretische Studie dennoch neue Impulse, da nun mit Beschleuniger-Experimenten nach bisher unentdeckten schweren Baryonen mit zwei Bottom-Quarks gesucht werden könnte. Auch die Existenz von Teilchen aus insgesamt vier Quarks schließen Karliner und Rosner mit ihrer Studie nicht mehr aus. Solche Tetraquarks könnten aus zwei schweren Bottom-Quarks und je einem Up- und Down-Antiquark bestehen. Eine Tetraquark-Fusion könnte sogar noch größere Energien in der Größen­ordnung von 200 MeV freisetzen.

Jan Oliver Löfken

DE

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