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13.07.2018

 

Simulationen werfen neues Licht auf die Rolle des Elementarteilchens

Myonen beeinflussen Explosionsmechanismus von Supernova


Supernova-Überbleibsel Cassiopeia A mit entstehendem Neutronenstern. Image Credit: X-ray: NASA/CXC/UNAM/Ioffe/D.Page, P. Shternin et al; Optical: NASA/STScI; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

Wenn ein Stern explodiert und zu einem Neutronenstern wird, spielen sich auf mikrophysikalischer Ebene komplexe Prozesse ab. Nach neuesten Erkenntnissen muss die Rolle von Myonen in diesen sogenannten Supernovae neu bewertet werden. Die bisher vernachlässigten Elementarteilchen haben einen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Kontraktion zu einem Neutronenstern und damit auf den neutrinogetriebenen Explosionsmechanismus. Dies fanden Wissenschaftler von GSI und FAIR, der TU Darmstadt, des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching und der Indiana University in den USA heraus.

 

Was geschieht genau, wenn ein Stern explodiert und zu einem Neutronenstern wird? Das untersuchen Forscherinnen und Forscher mit komplexen Modellrechnungen. Simulationen von einer neutrinogetriebenen Supernova-Explosion haben nun Hinweise darauf geliefert, dass ein Elementarteilchen bisher zu Unrecht vernachlässigt wurde: das Myon. Dieses Ergebnis wurde im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.

 

Myonen wurden bisher in Simulationen von Supernova-Explosionen vernachlässigt, da man davon ausging, dass sie nicht in entscheidenden Mengen produziert würden. In ihrer Publikation zeigen die Wissenschaftler rund um Prof. Gabriel Martínez Pinedo, theoretischer Physiker bei GSI/FAIR und der TU Darmstadt, dass die Temperatur und das elektrochemische Potential jedoch eine Produktion von Myonen möglich machen. „Das verändert die Teilchenzusammensetzung in der Sternmaterie und die Neutrino-Emission“, sagt Martínez Pinedo. Folgender Mechanismus liegt diesen beiden Effekten zugrunde: Im Inneren von bestimmten Supernovae bildet sich ein Neutronenstern. Bei seiner Entstehung zieht er Material an, wobei hohe Gravitationskräfte wirken. Elektronen im Inneren des Neutronensterns wirken durch ihre gegenseitige Abstoßung aber der Gravitation entgegen und erzeugen Druck. Nun wandelt sich ein Teil der Elektronen in Myonen um. Da Myonen eine höhere Masse haben als Elektronen, erzeugen sie weniger Gegendruck im Inneren des entstehenden Neutronensterns. Dadurch wird die Kontraktion schneller. Durch die schnellere Kontraktion entsteht mehr Hitze wodurch wieder mehr Neutrinos produziert und abgestrahlt werden. Das wirkt sich auf den Explosionsmechanismus aus. „Myonen müssen also in den Modellen berücksichtigt werden, weil sie den Explosionsmechanismus von Supernovae beeinflussen“, schlussfolgert Martínez Pinedo.

 

Theoretische Berechnungen liefern oft wichtige Anhaltspunkte für Experimente im Labor. So auch bei GSI und FAIR: Mit den Teilchenbeschleunigern in Darmstadt kann kosmische Materie im Labor erzeugt werden. Am Großexperiment HADES und am zukünftigen FAIR-Experiment CBM können zum Beispiel Temperaturen und Dichten erreicht werden, wie sie auch bei der Myon-Produktion in einem entstehenden Neutronenstern herrschen. Theoretische Vorhersagen können den Experimentalphysikern eine Orientierung bei der Auswertung ihrer Versuche geben. „Als nächstes planen wir Simulationen, die uns mehr über die Rolle der Pionen verraten sollen“, so Martínez Pinedo über das weitere Vorgehen. „Auch sie könnten eine wichtige Rolle spielen, die noch nicht ganz verstanden ist.“

 

Original-Veröffentlichung:

Muon Creation in Supernova Matter Facilitates Neutrino-Driven Explosions, Physical Review Letters

 

 




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