Ein subatomares Gegenstück der Kernfusion setzt so viel Energie frei wie die Verschmelzung von Wasserstoff – und bei manchen Teilchen womöglich sogar das Zehnfache davon. Das berichten Marek Karliner von der Tel Aviv University und Jonathan L. Rosner von der University of Chicago jetzt in "Nature". Sie zeigen auf Grund theoretischer Überlegungen, dass zwei schwere Λ_c-Baryonen miteinander zu energieärmeren Teilchen verschmelzen und dabei überschüssige Bindungsenergie zwischen den Quarks als kinetische Energie freisetzen. Der Vorgang ähnelt zum Beispiel der Verschmelzung von zwei Helium-3-Kernen, bei der ein Teil der Bindungsenergie zwischen den Protonen und Neutronen frei wird. Beide Prozesse setzen etwa zwölf Millionen Elektronvolt frei. Wie die Forscher vorrechnen, könnte der gleiche Prozess mit einem schwereren Quark jedoch mehr als zehnmal so viel Bindungsenergie freisetzen. Als technische Energiequelle kann man den Prozess aber wohl nicht nutzen.

Seit der Erkenntnis, dass Holz brennt, hat die Menschheit den Großteil ihres Energiebedarfs aus der Bindungsenergie der Materie gedeckt: Kohlenstoffreiches Material lagert sich mit Sauerstoff in energieärmere Produkte um; Uran und Plutonium zerfallen mit Neutronen zu leichteren Kernen; und in Sternen verschmelzen Wasserstoff und andere leichte Kerne. Bei all diesen Reaktionen wird Bindungsenergie zwischen den jeweiligen Bausteinen frei. Nun haben Karliner und Rosner das Prinzip auf die subatomare Ebene ausgeweitet: Baryonen bestehen aus Quarks, und wie die Forscher nun berichten, können einige Baryonen ihre Quarks so umsortieren, dass dabei große Mengen Bindungsenergie frei werden.

Allerdings funktioniert das nur mit schweren Quarks – Λ_c enthält neben einem up- und einem down-Quark ein charm-Quark, das schwerer ist als Protonen oder Neutronen. Zwei dieser Teilchen reagieren zu einem Neutron und einem Ξ_cc⁺⁺-Baryon, das aus zwei charm-Quarks und einem up-Quark besteht. Die Bindungsenergie zwischen den Quarks steigt mit deren Masse an: Die gleiche Reaktion mit Λ_b-Teilchen, die statt der charm-Quarks schwerere bottom-Quarks enthalten, würde demnach etwa die zehnfache Energie freisetzen. Wegen der sehr geringen Lebensdauer aller beteiligter Teilchen ist der Prozess für technische Anwendungen aber wohl nicht geeignet.

Dafür hat er wichtige theoretische Konsequenzen, wie die beiden Physiker berichten: Zum einen könnte damit das Rätsel der Tetraquarks gelöst sein, Teilchen aus vier Quarks. Möglicherweise sind die klassischen Quarks einfach zu leicht, so dass die Bindungsenergie nicht ausreicht. Mit charm- oder bottom-Quarks sind diese Reaktionen wohl möglich – solche Tetraquarks wurden auch bereits entdeckt. Die hohe Bindungsenergie schwerer Quarks führt außerdem eventuell dazu, dass eine ganz neue Klasse von daraus aufgebauter Materie denkbar ist, die vergleichsweise stabil ist.