Zwei Physiker kündigten die Entdeckung eines subatomaren Ereignisses an, das so mächtig war, dass sich die Forscher fragten, ob es zu gefährlich sei, es öffentlich zu machen.
Das explosive Ereignis? Das Duo zeigte, dass zwei winzige Partikel, die als Bodenquarks bekannt sind, theoretisch in einem starken Blitz miteinander verschmelzen könnten. Das Ergebnis: ein größeres subatomares Teilchen, ein zweites Ersatzteilchen, das als Nukleon bekannt ist, und eine ganze Menge Energie, die in das Universum gelangt. Diese "Quarksplosion" wäre ein noch stärkeres subatomares Analogon der einzelnen Kernfusionsreaktionen, die in den Kernen von Wasserstoffbomben stattfinden.
Quarks sind winzige Teilchen, die normalerweise aneinander haften und die Neutronen und Protonen in Atomen bilden. Sie kommen in sechs Versionen oder "Geschmacksrichtungen": oben, unten, oben, unten, seltsam und charmant.
Energetische Ereignisse auf subatomarer Ebene werden in Megaelektronvolt (MeV) gemessen, und wenn zwei untere Quarks verschmelzen, erzeugen die Physiker satte 138 MeV. Das ist ungefähr achtmal so stark wie eines der einzelnen Kernfusionsereignisse, die in Wasserstoffbomben stattfinden (eine Bombenexplosion in vollem Umfang besteht aus Milliarden dieser Ereignisse). H-Bomben verschmelzen winzige Wasserstoffkerne, die als Deuteronen und Tritonen bekannt sind, zu Heliumkernen, zusammen mit den stärksten Explosionen im menschlichen Arsenal. Laut dem Nuclear Weapon Archive, einer Website, auf der Forschungen und Daten über Atomwaffen gesammelt werden, setzt jede dieser einzelnen Reaktionen innerhalb der Bomben nur etwa 18 MeV frei. Das ist weit weniger als die 138 MeV der verschmelzenden Bodenquarks.
"Ich muss zugeben, dass ich Angst hatte, als ich zum ersten Mal erkannte, dass eine solche Reaktion möglich war", sagte Co-Forscher Marek Karliner von der Universität Tel Aviv in Israel gegenüber Live Science. "Aber zum Glück ist es ein One-Trick-Pony."
So mächtig Fusionsreaktionen auch sind, eine einzelne Fusion allein ist überhaupt nicht gefährlich. Wasserstoffbomben beziehen ihre enorme Kraft aus Kettenreaktionen - der kaskadierenden Verschmelzung von vielen, vielen Kernen gleichzeitig.
Karliner und Jonathan Rosner von der University of Chicago stellten fest, dass eine solche Kettenreaktion mit Bottom Quarks nicht möglich wäre, und teilten ihre Erkenntnisse vor der Veröffentlichung privat mit Kollegen, die zustimmten.
"Wenn ich für eine Mikrosekunde gedacht hätte, dass dies militärische Anwendungen hätte, hätte ich sie nicht veröffentlicht", sagte Karliner.
Um eine Kettenreaktion auszulösen, benötigen Atombombenhersteller große Partikelvorräte. Und eine wichtige Eigenschaft von Bodenquarks macht es unmöglich, sie zu lagern: Sie verschwinden nur 1 Pikosekunde nach ihrer Entstehung oder in ungefähr der Zeit, die Licht benötigt, um die halbe Länge eines einzelnen Salzkorns zurückzulegen. Nach dieser Zeitspanne zerfallen sie in eine weitaus häufigere und weniger energetische Art von subatomaren Teilchen, die als Up-Quark bekannt ist.
Es könnte möglich sein, einzelne Fusionsreaktionen von Bodenquarks in kilometerlangen Teilchenbeschleunigern zu erzeugen, sagten die Wissenschaftler. Aber selbst in einem Beschleuniger könne man nicht genügend Quarks zusammenbauen, um weltweit Schaden anzurichten, sagten die Forscher. Sie müssen sich also keine Sorgen um Quarkbomben machen.
Die Entdeckung ist jedoch aufregend, da es der erste theoretische Beweis dafür ist, dass es möglich ist, subatomare Teilchen auf eine Weise miteinander zu verschmelzen, die Energie freisetzt, sagte Karliner. Dies ist ein brandneues Gebiet in der Physik sehr kleiner Teilchen, das durch ein Experiment im Large Hadron Collider am CERN, dem Labor für massive Teilchenphysik in der Nähe von Genf, ermöglicht wurde.
So haben die Physiker diese Entdeckung gemacht.
Am CERN zappeln Partikel mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um einen 27 Kilometer langen unterirdischen Ring, bevor sie ineinander schlagen. Die Wissenschaftler verwenden dann leistungsstarke Computer, um die Daten dieser Kollisionen zu sichten, und manchmal entstehen seltsame Partikel aus dieser Forschung. Im Juni tauchte in den Daten einer dieser Kollisionen etwas besonders Seltsames auf: ein "doppelt verzauberter" Baryon oder ein sperriger Cousin aus Neutron und Proton, der selbst aus zwei Cousins der Quarks "unten" und "oben" besteht bekannt als "Charme" Quarks.
Jetzt sind Charm-Quarks sehr schwer im Vergleich zu den häufigeren Up- und Down-Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Und wenn schwere Teilchen zusammenbinden, wandeln sie einen großen Teil ihrer Masse in Bindungsenergie um und produzieren in einigen Fällen eine Menge übrig gebliebener Energie, die ins Universum entweicht.
Wenn zwei Charm-Quarks verschmelzen, wie Karliner und Rosner herausfanden, binden sich die Partikel mit einer Energie von etwa 130 MeV und spucken 12 MeV übrig gebliebene Energie aus (etwa zwei Drittel der Energie der Deuteron-Triton-Fusion). Diese bezauberte Fusion war die erste Reaktion von Partikeln dieser Größenordnung, bei der jemals festgestellt wurde, dass sie auf diese Weise Energie emittiert. Sie ist das Hauptergebnis der neuen Studie, die gestern (1. November) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.
Die noch energischere Verschmelzung zweier Bodenquarks, die mit einer Energie von 280 MeV binden und beim Verschmelzen 138 MeV ausspucken, ist die zweite und stärkere der beiden entdeckten Reaktionen.
Bisher sind diese Reaktionen völlig theoretisch und wurden in einem Labor nicht nachgewiesen. Der nächste Schritt sollte jedoch bald kommen. Karliner sagte, er erwarte, dass die ersten Experimente diese Reaktion am CERN in den nächsten Jahren zeigen werden.
Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um eine Aussage zu korrigieren, die besagt, dass Top-Quarks Neutronen und Protonen bilden. Auf- und Ab-Quarks bilden Protonen und Neutronen.
