Antimaterie
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Antimaterie ist Materie, die aus Antiteilchen aufgebaut ist, so wie die „normale“ Materie aus „normalen“ Teilchen besteht. Antimaterie im eigentlichen Sinn besteht aus Atomen oder Molekülen, die Hüllen aus Positronen und Kerne aus Antiprotonen und ggf. Antineutronen haben. Im weiteren Sinn wird jedoch schon eine einzelne dieser Antiteilchenarten, z. B. Positronen, als Antimaterie bezeichnet.
In der beobachtbaren Welt ist Antimaterie sehr kurzlebig, weil beim Aufeinandertreffen eines Teilchen-Antiteilchen-Paares sich beide gegenseitig unter Energiefreisetzung vernichten.
Einige leichte Antiteilchen sind in der Natur allgegenwärtig, aber Atome oder Moleküle aus Antimaterie kommen, soweit bekannt, nicht natürlich vor.
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[Bearbeiten] Antimaterie auf der Erde
Die drei genannten Antiteilchenarten und auch Antimaterie-Atome lassen sich in Paarbildungsreaktionen mittels Teilchenbeschleunigern erzeugen. Eine Arbeitsgruppe unter Walter Oelert vom Forschungszentrum Jülich wies 1995 als erste am CERN-Low Energy Antiproton Ring (LEAR) einige Antiwasserstoff-Atome nach, also gebundene Systeme aus einem Antiproton und einem Positron.[1] In den beiden folgenden Jahren wiederholten Forscher am Fermilab in den USA das Experiment.
[Bearbeiten] Spekulationen über energietechnische Nutzung
Die Vernichtung (Annihilation) setzt die bei der Paarbildung als Masse gespeicherte Energie wieder frei. Bei der Elektron-Positron-Annihilation tritt diese als elektromagnetische Strahlung auf, im Fall schwerer Teilchen (Proton-Antiproton) teilweise auch in Form anderer Teilchen mit hoher Bewegungsenergie. Dabei wird die gesamte Ruhemasse des Teilchen-Antiteilchen-Paares umgesetzt und nicht nur, wie bei Kernspaltung und Kernfusion, ein kleiner Bruchteil. Die Annihilation einer gegebenen Masse von 50% Materie + 50% Antimaterie würde über 100 mal so viel Energie freisetzen wie die Reaktion einer gleich großen Masse von Fusionsreaktor-Brennstoff.
Wegen dieser hohen Speicherwirkung für Energie ist über Nutzungen von Antimaterie (in Form von Positronen) für Waffenzwecke nachgedacht worden.[2] Es gibt aber kein realistisches Konzept, wie genügende Mengen von Antimaterie gelagert und transportiert oder aber in ausreichend kurzer Zeit hergestellt werden könnten.
Als eine Energiequelle wird Antimaterie nie genutzt werden können: Für die Erzeugung wird immer mindestens so viel Energie benötigt, wie die Vernichtung wieder freisetzt. Aus technischen Gründen liegt außerdem der Wirkungsgrad bei der Erzeugung weit unter 100%.
[Bearbeiten] Antimaterie im Universum
In Teilchenbeschleunigerexperimenten zeigt sich, dass Energie (Photonenstrahlung, Bewegungsenergie usw.) immer paarweise zu gleichen Mengen in Materie und Antimaterie umgewandelt wird. Auch nach den bisher gefundenen theoretischen Gesetzen gibt es in der Natur keinen prinzipiellen Unterschied zwischen dem Verhalten von Materie und Antimaterie. Somit sollte man erwarten, dass nach dem heißen und dichten Anfangszustand des Universums (Urknall) Materie und Antimaterie in gleichen Mengenverhältnissen entstanden. Trotzdem zeigen alle bisherigen Beobachtungen im Kosmos nur die „normale“ Materie.
Frühere Vermutungen, dass das Universum in einigen Bereichen mit Materie, in anderen mit Antimaterie gefüllt sei, gelten heute als unwahrscheinlich. Es wurde bislang keine Annihilationsstrahlung, die an den Grenzgebieten entstehen sollte, nachgewiesen. Auch die direkte Suche nach Anti-Helium-Atomen, die 1998 mit einem Alpha-Magnet-Spektrometer an Bord eines Space Shuttle erfolgte, zeigte in der kosmischen Höhenstrahlung keine Hinweise auf Antimaterie. Insgesamt wurden etwa 3 Millionen Heliumatome detektiert, darunter befand sich aber kein einziges Antiatom.[3]
Die sogenannte kosmische Hintergrundstrahlung lässt sich im Rahmen der Urknalltheorie als Relikt aus der Zeit deuten, als die beim Urknall entstandene Materie mit der Antimaterie wieder annihilierte. Der Vergleich von Modellrechnungen und astronomischen Messdaten (primordiale Nukleosynthese, WMAP) spricht dafür, dass das Verhältnis von Materie und Antimaterie fast gleich 1 war. Lediglich ein winziges Ungleichgewicht, etwa 1.000.000.001 Teilchen auf 1.000.000.000 Antiteilchen, bewirkte, dass ein Rest an Materie übrig blieb, der in unserem heutigen Universum feststellbar ist.
Dieses offensichtliche Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie ist eine der Voraussetzungen für die Stabilität unseres Universums und somit auch für das Leben auf der Erde. Hätte sich ein genaues Gleichgewicht von Materie und Antimaterie ergeben, wäre alle Materie im Verlauf der Abkühlung des Universums wieder mit der Antimaterie in Strahlung umgewandelt worden.
Der Grund für dieses Ungleichgewicht ist eines der großen Rätsel der Elementarteilchenphysik und Kosmologie; es wird vermutet, dass erst vereinheitlichende Theorien (beispielsweise Stringtheorie, M-Theorie, Supersymmetrie) diese ungleiche Verteilung zufriedenstellend erklären werden. Eine der Voraussetzungen für ein Übergewicht von Materie ist die CP-Verletzung (siehe Baryogenese). Diese wurde zuerst bei Kaonen in den 1960er Jahren entdeckt (Cronin, Fitch). In den 1990er Jahren wurden am SLAC in den USA 200 Millionen B-Meson-Anti-B-Meson-Paare erzeugt und untersucht, wie diese wieder zerfallen. Bei der Auswertung wurde festgestellt, dass die B-Mesonen etwa zweimal seltener in ein Pion und ein Kaon zerfallen als ihre Antiteilchen. Beim vorher untersuchten Kaonensystem lag der Unterschied bei 4 zu einer Million.
[Bearbeiten] Literatur
- Dieter Grzonka, Walter Oelert und Jochen Walz: Experimente mit der „Antiwelt“, Physik Journal 5 Nr. 3 (März 2006) 37, [1]
- Dieter B. Herrmann: Antimaterie. Auf der Suche nach der Gegenwelt, 2. Auflage, München:Beck (2004), ISBN 3-406-44504-7
- Alban Kellerbauer: Antimaterie - Spiegelbild oder Zerrbild, Physik in Unserer Zeit 38 (Juli 2007) 168, doi:10.1002/piuz.200601134
Direkter Download vom Autor: Artikel, zus. Kapitel. - Hannes Alfvén: Kosmologie und Antimaterie. Umschau-Verl., Frankfurt am Main 1969
- Gordon Fraser: Antimatter - the ultimate mirror. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-89309-7
- Helen R.Quinn, Yossi Nir: The mystery of the missing antimatter. Princeton Univ. Pr., Princeton 2008, ISBN 978-0-691-13309-6
[Bearbeiten] Einzelnachweise
- ↑ Beschreibung des Experiments
- ↑ San Francisco Chronicle (engl.)
- ↑ Publikationen der AMS-Kollaboration (engl.)
