Exotische Materie

Materie ist überall um uns herum, doch was wir da sehen und spüren, ist ganz gewöhnliche Materie. Es ist ein Sammelsurium von Teilchen, wie Elektronen, Protonen und Neutronen und vielleicht auch mal ein Antiteilchen. Die Protonen und Neutronen, der Atomkerne setzen sich wiederum aus jeweils drei Quarks zusammen und dann gibt es auch noch die Neutrinos. Aber sonst ist das alles ganz gewöhnliche Materie.

Dieses Konglomerat an Teilchen mag schon außergewöhnlich genug erscheinen, aber für exotische Materie braucht es noch etwas mehr, wie zum Beispiel eine negative Masse.

Die Annahme, dass die Masse eines Körpers immer positiv sei und dass sich zudem Träge Masse und Schwere Masse nicht unterscheiden, ist bisher nicht physikalisch begründbar, es ist lediglich eine Annahme, die durch unzählige Experimente bis an die Grenzen der Messgenauigkeit bestätigt ist. Es könnte also sein, dass es Materie gibt, die sich wegen ihrer negativen Trägen Masse auf einen zu bewegt, wenn man sie schubst oder wegen einer negativen Schweren Masse von anderen Körpern abgestoßen wird.

Diese Abstoßung könnte natürlich der Grund dafür sein, dass wir diese Form der Materie in dem uns bekannten Universum noch nicht entdecken konnten. Und natürlich handelt es sich bei der vermuteten Existenz solcher Materiezustände um reine Spekulation, bis ihre Existenz tatsächlich nachgewiesen ist.

Man kann sogar noch einen Schritt weiter gehen und zwischen aktiver und passiver schwerer Masse unterscheiden. Dabei ist die aktive schwere Masse die Masse, welche für die Anziehungskraft auf andere Teilchen verantwortlich ist, während die passive schwere Masse diejenige ist, die auf dieses Schwerefeld reagiert. Sollten diese beiden schweren Massen aber nicht übereinstimmen, bekommt man Schwierigkeiten mit der Impulserhaltung, sodass die meisten Physiker davon ausgehen, dass es hier keine Unterschiede geben sollte. Experimentelle Daten bestätigen die Identität der schweren Massen. Es bleibt aber immer noch die Möglichkeit offen, dass die Massen zwar für ein und dasselbe Teilchen identisch, aber trotzdem negativ wären. Solche negative Masse würde von positiver Masse angezogen werden, während positive Masse aber von negativer abgestoßen werden sollte. Und während sich negative Massen zwar mit ihrer Schwerkraft anziehen, müsste sie sich aber durch die inverse Reaktion auf einwirkende Kräfte - wie schon erwähnt bewegen sie sich der einwirkenden Kraft entgegen - abstoßen.

Man geht im Allgemeinen davon aus, dass Antimaterie sich von gewöhnlicher Materie im Wesentlichen durch die Ladung unterscheidet (oder sich rückwärts in der Zeit bewegt), doch es wäre auch denkbar, dass es sich um Materie mit negativer Masse handelt - so genau ist das nicht festzustellen, da die Gravitationskräfte für einzelne Teilchen gegenüber den elektromagnetischen Wechselwirkungen kaum nachweisbar sind. Allerdings sollten sich dann die Massen von Teilchen und Antiteilchen bei der Kollision einfach aufheben und es würde einfach nichts übrig bleiben. Die Beobachtung zeigt aber, dass Photonen mit einer Energie ausgesendet werden, die genau dem Energieäquivalent der Masse der beiden Teilchen entspricht. Antimaterie hat dann wohl doch eine positive Masse.

Noch exotischer wird es bei Teilchen mit imaginärer Masse (imaginäre Zahlen sind Wurzeln aus negativen Zahlen). Diese Tachyonen müssten sich eigentlich immer schneller als das Licht bewegen - und sind deshalb natürlich nicht so leicht zu finden. Mathematisch stellt es kein Problem dar mit imaginären Massen umzugehen, doch physikalisch könnte ihre Existenz zu Paradoxa führen - die bisher aber noch nicht beobachtet wurden.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Formen von exotischer Materie. Da sind zum einen die Arten, die, wie diejenige mit negativer Masse völlig anders aufgebaut sein müssen, als die Materie, die wir kennen. Solche Materie könnte in der Vakuum-Fluktuation entstehen - da sich Teilchen kurzfristig Energie vom Universum ausborgen können, entstehen im Vakuum ständig Teilchenpaare, die sich unter Freisetzung der geborgten Energie in der Regel aber sofort wieder gegenseitig vernichten. Auf diese Weise ist fast alles denkbar, was physikalisch nicht ausgeschlossen ist.

Zum anderen kann man die Bestandteile, die wir kennen, aber auch anders kombinieren, das ist immer noch exotisch genug.

Man kennt schon seit geraumer Zeit Neutronensterne. Diese Sterne sind so massereich, dass selbst die Elektronen in den Kern gedrückt werden, sodass sich die Protonen zu Neutronen umwandeln und der ganze Stern praktisch ein gigantischer Atomkern ist. Diese Neutronensterne entstehen am Ende eines Sternenlebens, wenn der Stern in einer Supernova explodiert. Bei noch größeren Sternen könnten aber vielleicht sogar die Neutronen miteinander verschmelzen, sodass ein Quarkstern entsteht. Die Existenz eines solchen Objekts muss noch bestätigt werden, aber es gibt ein paar Verdächtige, die zur Zeit unter die Lupe genommen werden. Das Licht einer außergewöhnlich hellen Supernova wurde von Palomar's Samuel-Oschin-Teleskop aufgefangen und zusammen mit zwei weiteren Kandidaten, die ebenfalls etwa 100-mal heller waren als gewöhnliche Supernovae, werden diese Daten jetzt untersucht. Theoretisch sollte ein Neutronenstern von der 1,5- bis 1,8-fachen Masse der Sonne, wenn er schnell rotiert, zum Quarkstern werden. Unter diesen Voraussetzungen könnte einer von hundert bekannten Neutronensternen tatsächlich ein Quarkstern sein. Ein weiteres Kriterium für einen Quarkstern könnte das Fehlen einer charakteristischen Radiosignatur sein, wie sie Neutronensterne sonst aussenden, dieses Signal fehlt bei sieben heute bekannten Neutronensternen, die damit zu Quarksternkandidaten werden.

Da sich solche Quarkzustände mit heutigen Beschleunigern nur für Sekundenbruchteile erzeugen lassen, könnten solche Quarksterne eine faszinierende Möglichkeit sein, sie in der freien Natur zu beobachten und so in der Astronomie mehr über den Aufbau der Welt im ganz Kleinen herauszufinden.

Eine weitere Form der exotischen Materie finden wir nicht im Weltraum, sondern ausschließlich in den Laboren der Hochenergiephysik, das Positronium.

Positronium ist ein Elektron-Positron-Paar - das Positron ist das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons. Bisher hat man nur wenige dieser Paare erzeugen können, da sie nicht sehr stabil sind und sich das Teilchen-Antiteilchen-Paar nach kurzer Zeit schon wieder selbst annihiliert. Außerhalb des Labors würden die Paare gleich auseinanderfliegen, deshalb muss man etwas Aufwand betreiben, um sie im Labor herzustellen. Man schießt 20 Millionen Positronen in poröses Silikon und erhält etwa 100.000 Paare, die für ein paar Augenblicke stabil bleiben, da das Silikon die überschüssige Energie aufnehmen kann.

Ganz so exotisch wie mit negativen oder gar imaginären Massen scheint unsere Welt nicht zu sein, aber da draußen ist trotzdem noch einiges an Seltsamkeiten zu entdecken und zu erforschen.


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Mehr zum Thema:

Wikipedia: Exotic matter

Exotic matter

Quark Stars Could Produce Biggest Bang

Exotic matter-antimatter molecule created