„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

1. Antiteilchen

Zu jeder bekannten elementaren Teilchenart existiert grob gesprochen ein korrespondierendes Antiteilchen mit inversen additiven Quantenzahlen (elektrische Ladung, Farbladung, schwache Hyperladung; Strangeness, Baryonenzahl, Leptonenzahl usw.) und ansonsten identischen, nichtadditiven Eigenschaften (Masse, Spin, Isospin, Lebensdauer usw.).

Namensgebung

Der Name eines Teilchen-Antipartners ergibt sich i.d.R., indem man die ursprüngliche Teilchenbezeichnung beibehält und einfach die Silbe „Anti“ vorsetzt: Anti-Neutrino, Anti-Gluon, Anti-Up-Quark, Anti-Proton...Jedoch gilt das nicht bei allen Teilchen, das Antiteilchen vom „W-Minus“ heißt beispielsweise „W-Plus“ und bei Myonen und Pionen wird lieber das Ladungsvorzeichen genannt, also positives-Myon oder My-Plus anstatt Antimyon. Ist ein Teilchen, wie das Photon, sein eigenes Antiteilchen, braucht es gar keinen weiteren Namen. Ein komplett neuer Terminus wurde exklusiv dem Antiteilchen des Elektrons zuteil: Positron.

Antimaterie

So wie Teilchen Materie konstituieren, ist auch alles, was aus Antiteilchen besteht, Antimaterie (Antiatome, Antimoleküle usw.). Wegen den Symmetrien zwischen Materie und Antimaterie ist es theoretisch möglich die Konstituenten der Materie Stück für Stück durch Antiteilchen zu substituieren, so ließe sich eine Welt aus Antimaterie bauen, die der unseren in nichts nachsteht. Denn Antiteilchen verhalten sich isoliert genauso wie Teilchen, wäre das Universum aus reiner Antimaterie aufgebaut, es würde folglich niemandem auffallen.

Materie besteht aus Atomen und diese aus noch kleineren Bauteilen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Neutronen (neutral geladen) und Protonen (positiv geladen) bestehen beide aus Quarks und bilden zusammen den Atomkern, um ihn herum schwirren die Elektronen (negativ geladen). Ladungstechnisch ist Antimaterie nun das genaue Gegenstück zur Materie: Negativ geladene Anti-Protonen und weiterhin neutrale (aber nicht gleiche!) Neutronen im Kern und positiv geladene Anti-Elektronen, Positronen, auf der Atomhülle. So leicht ist Antimaterie.

1. Vernichtung & Erzeugung

1.1. Paarvernichtung

Auffallend wird es erst, wenn Materie und Antimaterie aufeinanderstoßen. Trifft ein Teilchen auf sein Antiteilchen vernichten, sich die beiden unter Energiefreisetzung gegenseitig, dabei können neue Teilchen wie das y-Quant entstehen. Dieser Prozess wird auch Annihilation genannt (er hier ist schuld daran, dass Antimaterie auf der „normalen“ Erde so selten bzw. kurzlebig ist, sie trifft wortwörtlich an jeder Ecke auf Materie und zerstrahlt). Proton und Antiproton zerstrahlen beispielsweise zu mehreren Pionen, Elektron und Positron zu zwei oder drei Photonen.

Bei solchen Paarvernichtungen werden laut Einsteins E = mc² natürlich riesige Mengen an Energie frei, 80 Kilogramm Antiprotonen würden bereits ausreichen, um den Energieverbrauch Deutschlands für ein Jahr zu decken. Um jedoch realiter unser Stromnetz zu speisen oder als Waffe herzuhalten taugt die Antimaterie nicht, es gibt einfach zu wenig davon auf der Erde. Und für die Antimaterie, die wir in Teilchenbeschleuniger erzeugen können, muss weitaus mehr Energie aufgewendet werden, als wieder gewonnen werden kann.

1.2. Paarerzeugung

Der umgekehrte Vorgang passiert auch: Strahlungsenergie kann in Teilchen übergehen, man spricht passenderweise von einer Paarbildung oder Paarerzeugung. Ein energiereiches Photon etwa kann in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt werden. Besonders faszinierend daran ist, dass aus Photonen ohne Ruhemasse massebehaftete Teilchen hervorgehen. Die relevanten Erhaltungssätze (Energieerhaltung, Drehimpulserhaltung) werden aber nicht verletzt, die gesamte Energie des Photons geht bei der Paarerzeugung in Masse über.

2. Vorhersage & Nachweis

2.1. Vorhersage

Der Quantenpionier Paul Dirac (1902-1984) sagte als Erster die Existenz eines Antiteilchens theoretisch vorher, als er eine relativistische Erweiterung der Quantenmechanik (Dirac-Theorie) zur Diskussion brachte. Seine Formel legte nahe, dass Elektronen in vier Formen existieren. Zwei davon können mit den beiden möglichen Spin-Zuständen identifiziert werden, die anderen beiden haben eine entgegengesetzte Ladung. Damals erklärte Dirac die beiden Lösungen als Spin-Zustände eines bis dahin unbekannten Teilchens, heute weiß man, dass er auf das Antiteilchen des Elektrons, das Positron, gestoßen ist.

2.2. Nachweis

Carl David „Charles" Anderson und Seth Henry Neddermeyer gelang es 1932 das Positron in der Kosmischen Strahlung, als erstes Antiteilchen überhaupt, empirisch nachzuweisen. Kleine Mengen an Antimaterie regnen somit ständig aus dem Weltraum auf unsere Erde hinab, auch in Gewittern haben Wissenschaftler bereits Hinweise auf Antimaterie gefunden. Andere Antimaterie-Quellen sind noch näher: Bananen beispielsweise können Elektronen-Positronen Paare erzeugen, weil sie sehr reich an Kalium und dessen natürlichem Isotop 40K sind. Dieses zerfällt über den positiven Beta-Zerfall, der eben Positronen produziert. Auch unsere Körper beinhalten dieses Isotop, was heißt, dass auch wir Positronen emittieren.

3. Verweise

  • Atom: Wir können Antiatome ganz real im Experiment herstellen. Das theoretische Postulat zu der Möglichkeit von Antiatomen gab es zwar schon lange, da Antiatome aber komplett von normalen Atomen abgeschirmt werden müssen, um nicht sofort zu zerstrahlen, gestaltete sich ihre praktische Anfertigung lange Zeit als kompliziert. Erst 1995 gelang es einer Arbeitsgruppe um Walter Oelert am CERN mithilfe sog. „magnetischer Fallen“ ein Antiwasserstoffatom zu erschaffen. Ein von einem Positron umkreistes Antiproton also - das einfachste Antiatom überhaupt und nur für kurze Zeit, aber ein fundamentaler Durchbruch in der Physik. Danach intensivierten sich Forschung und Fortschritt um Antiteilchen stark. Irgendwann kam man auf die brillante Idee Materie mit relativistischen Strahlungsteilchen zu beschießen, wodurch langlebigere Antimaterie freigesetzt wird, die sich endlich auch länger erforschen ließ. Im April 2011 gelang es Forschern dann sage und schreibe 309 Antiwasserstoffatome 17 Minuten bei einer Temperatur von rund 1 Kelvin einzufangen, das war 5800-Mal so lange wie der bisherige Rekord vom vorherigen November. Da soll noch einer sagen, die Forschung am CERN schreite nicht voran.

  • Baryon: Antibaryonen setzen sich aus drei Antiquarks zusammen und haben die Baryonenzahl B = - 1. Nach dem Urknall vernichteten sich Baryonen und Antibaryonen munter gegenseitig, danach lagen Materie und Antimaterie aber nicht in gleichen Mengen (nämlich der Menge 0!) vor, wie man das vielleicht erwarten könnte. Es gab eine kleine Asymmetrie: Auf eine Milliarde Antiteilchen kamen eine Milliarde und ein Teilchen. Ohne dieses sehr geringe Missverhältnis hätte sich die Materie kurz nach ihrer Entstehung gleich wieder selbst zerstört. Demzufolge verdankt unsere Welt ihre Existenz möglicherweise einem Symmetriebruch am Anbeginn der Zeit. Oder die Antimaterie, die unser Bestehen verhindert hätte sollen, war abgegrenzt von der Materie und lungert heute noch irgendwo im Weltraum, schön abgeschirmt von unserer Welt. Hier setzen Naturwissenschaftler an und suchen nach Antimaterie, die vom Big Bang über sein könnte. Der Teilchendetektor „Alpha Magnetic Spectrometer“ sitzt auf der Internationalen Raumstation und sucht nach diesen Antiteilchen. Seine Detektoren identifizieren die sie passierende Partikel und schon die Registration eines einzigen Anti-Helium Kerns wäre ein starker Beweis für die Existenz größerer Mengen an Antimaterie - irgendwo anders im Universum. Denn die Kosmische Strahlung produziert zwar nach Lust und Laune Positron-Antiproton-Paare, die Schaffung eines schweren Anti-Helium Kerns ist bei ihr aber extrem unwahrscheinlich. Der müsste dann von irgendwo anders herkommen.

  • CP-Symmetrie: Die Quantentheorie verknüpft Teilchen und Antiteilchen durch die sog. Ladungskonjugation C, die die Vorzeichen aller ladungsartigen internen Quantenzahlen ändert – vorausgesetzt der transformierte Zustand ist physikalisch möglich. Das ist der Fall bei der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung. Die schwache Wechselwirkung dagegen verletzt die C-Symmetrie: Das linkshändige Neutrino wird durch C in das linkshändige Antineutrino überführt, was es aber gar nicht gibt. Erst mit der sog. CP-Transformation bekommt man das tatsächlich zu beobachtende rechtshändige Antineutrino. Eine Verletzung der CP-Symmetrie tritt beim Zerfall des K0-Mesons zu Tage, die Asymmetrie wird so interpretiert, dass die Natur hier einen Unterschied zwischen Teilchen und Antiteilchen macht. Nach dem Stand der Forschung ist die CPT-Konjugation, also die Kombination aller Spiegelungen, für alle Wechselwirkungen erhalten. Eine Konsequenz aus dem CPT-Theorem ist, dass Teilchen und Antiteilchen gleiche Massen und Lebensdauern besitzen und ihre magnetischen Momente entgegengesetzt gleich sind.
  • Dunkle Materie: Auf gar keinen Fall darf man Antimaterie mit Dunkler Materie verwechseln!

  • Energiewende: Die bei einer Paarerzeugung gespeicherte Energie wird bei der Paarvernichtung wieder frei. Dabei wird das gesamte Teilchen vernichtet bzw. seine gesamte Masse in Energie umgesetzt und nicht nur, wie bei der Kernspaltung und Kernfusion, ein kleiner Bruchteil (siehe auch: Massendefekt). Nun wird schon die Kernfusion, sofern sie sich einmal für wirtschaftliche Zwecke bändigen lässt, als potentieller Revoltier des Energiemarktes angepriesen. Aus der Annihilation einer gegebenen Masse x an 50% Materie und 50% Antimaterie ließe sich jedoch noch viel mehr Energie, nämlich alle zur Verfügung stehende, gewinnen, als aus der gleichen Masse x an Fusionsreaktorbrennstoff. So würde beispielsweise die Fusion eines Deuteriumkerns mit einem Tritiumkern 17,6 MeV liefern, die Annihilation eines Wasserstoffatoms mit einem Anti-Wasserstoffatom rund das Hundertfache: 1,88GeV. Zumindest künstlich erzeugte Antimaterie wird aber nie als reale Energiequelle genutzt werden können: Für die Erzeugung von ihr muss stets mindestens so viel Energie aufgewendet werden, wie ihre Vernichtung wieder freisetzt. Es gilt darüber hinaus zu konstatieren, dass der Wirkungsgrad eines „Antimaterie-Energiekraftwerkes“ aus technischen Gründen immer unterhalb der 100%-Marke liegen muss. Wegen der so hohen Speicherkraft ist auch schon über eine militärische Nutzung von Antimaterie bzw. des Annihilationseffektes seriös nachgedacht wurden. Aber auch noch nicht mehr als nachgedacht, da wir keine Ahnung haben wie genügende Mengen an Antimaterie hergestellt, gelagert oder transportiert werden sollen. Vielleicht sollte man sagen: Zum Glück keine Ahnung haben.

  • Feynman-Diagramm: Feynman-Diagramme ordnen verschiedenen Teilchenarten unterschiedliche Linien zu. Durchgezogene, gerade Pfeile kennzeichnen alle Fermionen. Bei Antiteilchen bzw. Antifermionen ist die Pfeilrichtung umgekehrt zu den normalen Teilchen bzw. Fermionen, sie bewegen sich deshalb (nur dem Schein nach!) rückwärts in der Zeit.

  • Galaxie: Gibt es isolierte Galaxien, die komplett aus Antimaterie bestehen? Diese Frage ist gar nicht so ohne weiteres zu beantworten, weil sich Antiteilchen isoliert ja in allen Bereichen genauso verhalten wie Teilchen. Auch den Photonen, die ihr eigenes Antiteilchen darstellen und über die allein wir fremde Galaxien beobachten können, vermögen wir keine Auskunft über die Frage, ob sie aus einer „Anti-Galaxie“ kommt zu entlocken. Einzig die Teilchenemission der Galaxien scheint einen Weg zu einer Antwort auf diese knifflige Frage zu ebnen. Denn Antiteilchen, die auf unsere „normale“ Galaxie treffen, verursachen Annihilationen und die lassen sich sehr wohl beobachten. Tatsächlich messen Astronomen auch eine Annihilationsstrahlung von Elektronen und Positronen als Gammaspektrallinie bei ungefähr 511 keV Ruheenergie.

  • Gravitation: Antimaterie und Materie haben die gleichen Massen aber unterscheiden sich in elektrischer Ladung und Spin. Das Standardmodell verspricht auch die gleichen gravitativen Effekte bei Materie und Antimaterie. Heißt, Antiteilchen krümmen mit ihrer positiven Masse den Raum und das zieht andere Massen an. Experimente wie ALPHA, AEGIS und GBAR stellen dieses Standardmodell jetzt auf den Prüfstand. Bis valide Ergebnisse da sind, kann es aber noch dauern. Etwas über die Gravitationseffekte auf Antimaterie herauszufinden ist nämlich nicht so einfach wie einen vom Baum fallenden Apfel zuzuschauen.  Dazu braucht es Dinge wie ein vollständiges Vakuum, extrem niedrige Temperaturen leicht über absolut Null und raffinierte Teilchenfallen. Und weil die Gravitation die schwächste der 4 fundamentalen Kräfte ist ,dürfen Physiker bei diesen Experimenten nur neutral geladene Antiteilchen verwenden, um Störeffekte durch die vergleichsweise viel stärkere elektromagnetische Kraft zu vermeiden.

  • Helium: Der Anti-4He ist der bislang schwerste, beobachtete Antimaterie-Atomkern. Er wurde am Relativistic Heavy Ion Collider und genauso wie die 309 Antiwasserstoffatome im April 2011 gemessen.

  • Lepton: Antilepton ist eine Sammelbezeichnung für alle Antiteilchen zu Leptonen, d.h. zum Elektron, Elektronneutrino, Tauon und Tauneutrino, Myon und Myonneutrino.

  • Medizin: Antimaterie wird in der Medizin verwendet. Bei der Positron-Emissions-Tomographie (kurz: PET) beispielsweise werden Gehirnaktivitäten mithilfe der Einbringung radioaktiv markierter Substanzen in das Hirn gemessen, dabei zerstrahlt das Positron mitsamt dem Elektron aus der Atomhülle in zwei y-Quanten. Spezialdetektoren messen diese Quanten später und können so den Zerfallsort lokalisieren. Auf diese Weise können hochauflösende Bilder von Hirn oder Körper aufgenommen werden. Wissenschaftler des ACE Projekts am CERN untersuchen Antimaterie gar als potenziellen Kandidaten zur Krebstherapie.

  • Molekül: Leichtere Antiteilchen finden sich zuhauf in der Natur, Antiatome oder ganze Antimoleküle kommen in dem für uns sichtbaren Teil des Universums, soweit bekannt, jedoch nicht vor. Die lassen sich wenn überhaupt nur unter großem Aufwand in Teilchenbeschleunigern fertigen.

  • Neutrino: Neutrinos sind ja allgemein komische Gestalten. Das gilt auch in Bezug auf ihre Antipartner, man ist sich nämlich gar nicht so sicher, ob die Natur überhaupt zwischen Neutrino und Anti-Neutrino unterscheidet oder ob das wie beim Photon ein- und dasselbe ist. Das Neutrino könnte also sein eigenes Antiteilchen sein, nichts genaues weiß man. Teilchen mit hohen Ladungen sind leicht von ihren Antipartnern - mit hoher, entgegengesetzter Ladung - zu unterscheiden. Das Neutrino aber ist fast masselos und hat gar keine Ladung. Deshalb ist es auch dermaßen schwer zu sagen, ob das Neutrino ein Majorana-Teilchen, so nennt man die hypothetische Klasse von Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind, ist, vielleicht auch nicht. Mit physikalischen Phänomenen wie dem doppelten Beta-Zerfall und der Erhaltung der Leptonenzahl versucht man in Projekten wie der Majorana Demonstrator und dem EXO-2000 dem nun aber endlich auf die Schliche zu kommen. Die Idee dahinter ist simpel: Man nehme radioaktive Kerne ,die zur gleichen Zeit zerfallen, dabei zwei Elektronen und zwei Neutrinos abgeben und wenn das Neutrino dann sein eigenes Antiteilchen sein sollte, würden sich Neutrino und Anti-Neutrino nach dem Doppel-Zerfall gegenseitig aus der Welt schaffen und die Wissenschaftler dürften nur noch die beiden Elektronen beobachten. Wäre das Neutrino aber nicht selbst sein Antiteilchen, käme es auch nicht zur Annihilation und beide Neutrinos wären noch unverändert da. Die Praxis ist natürlich ungemein komplizierter und vielschichtiger.         Majorana Neutrinos (wieder:) könnten überdies die von allen beobachtbare Materie-Antimaterie-Asymmetrie erklären: Physiker nehmen an, dass Majorana Neutrinos schwer oder leicht sein könnten, die leichten existieren soeben und die schweren gab es nach dem Urknall. Diese schweren Majorana Neutrinos würden asymmetrisch zerfallen, was zu einem kleinen Materie-Überschuss und schließlich zu unserem Universum führte. Man könnte also verkürzt behaupten: Wenn Neutrinos Majorana-Teilchen sind, dann gibt es das Universum evtl. nur, weil es auch Neutrinos gibt.

  • Photon: Das elektrisch neutrale Photon ist ganz sicher sein eigenes Antiteilchen. Das hat verrückte Konsequenzen. An Feynman-Diagrammen lässt sich beispielsweise ablesen, wie sich ein Elektron durch die Raumzeit bewegt, spontan ein Photon emittiert und sich danach rückwärts in der Zeit / entgegen der Y-Achse des Diagramms weiterbewegt. Irgendwann (früher) absorbiert es wieder ein Photon und bewegt sich dann vorwärts in der Zeit weiter. Aber verrückt, oder? Teilchen, die sich entgegen des Zeitpfeiles bewegen. Aber es wird noch einmal verrückter, wenn man darüber nachdenkt, dass wir als Beobachter den Vorgang ja vorwärts in der Zeit erleben, das F.-D. also „von unten nach oben“ lesen.

  • Pion: π + ist das Antiteilchen von π-und umgekehrt, während das neutrale π0identisch mit seinem Antiteilchen ist. Aber Obacht, nicht alle elektrisch neutralen Teilchen selbst ihr Antiteilchen!

  • Pseudowissenschaft: Keine Abhandlung über Antimaterie ohne auch ihre Rolle außerhalb der Wissenschaften zu erwähnen: Antimaterie taucht in Romanen, Filmen und esoterischen oder pseudowissenschaftlichen Quacksalbereien auf. In den Star-Wars Filmen dient Antimaterie als Energiequelle für Warp-Antriebe zur Beschleunigung auf Überlichtgeschwindigkeit oder auch als Waffe. Perry Rhodan ersinnt viele Verwendungsmöglichkeiten für Antimaterie, etwa als Gravitations-Schwockwellen oder Mittel zur Nachrichtenübertragung. In Dan Browns Roman Illuminati haben Wissenschaftler am CERN sichtbare Mengen an Antimaterie hergestellt und sind Teil einer Konspiration.

  • Raumfahrt: In der Raumfahrt wurde und wird vielfach über die Nutzbarmachung von Antimaterie in Antriebssystemen diskutiert. Das ist auch sinnvoll, lassen sich aus einer Handvoll Antimaterie doch schon wahnsinnige Mengen Energie erzeugen. Kleine Mengen Antriebsstoff bedeuten folglich ein kleines Gewicht und ein möglichst leichtes Raumfahrzeug ist vor allem bei dem Austritt aus der Atmosphäre enorm wichtig. Antimaterie-Antriebssysteme sind auch hypothetisch möglich, eines der größten Probleme ist momentan noch, erst einmal so viel Antimaterie aufzutreiben. Derzeit steht uns keine Technologie zur Verfügung, die Antimaterie in ausreichenden Volumina produzieren oder sammeln könnte.

Die vorherige Fassung dieses Aufsatzes aus dem Jahre 2014.
2014.docx
Microsoft Word Dokument 44.9 KB

Stand: 2015

Kommentare: 1
  • #1

    WissensWert (Samstag, 14 Januar 2017 03:04)

    https://www.youtube.com/shared?ci=2j0MJTUW2JU


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