Antimaterie

also ich sag da nur eins
www.cern.ch
kann ich euch nur empfelen zwar auf englisch aber das meiste sollte man auch so verstehen

Wenn das Licht aus tausend Sonnen
am Himmel plötzlich hervorbräche,
das wär der Glanz des Herrlichen.

@palladium:

Was solln überhaupt das ;-DD? Hast du nen Kieferbruch und willst uns dein leiden so mitteilen? Ich würde Umbra wegen seiner Rufzeichen nicht immer anpöppeln-von wegen lächerlich, ich glaube die Hackfresse die du da immer hinmalst grinst glaub ich mehr als ein Rufzeichen und ist weitaus lächerlicher(passt ja auch zu deinem Charakter).

Palladium, Palladium wieso bist du so dumm?
Hättest du dich mehr mit dem Thema AM ausseinandergesetzt, wärst du sicher im Internet auch auf dass gestoßen:

Was Materie von Antimaterie unterscheidet

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Warum nicht alles Gammastrahlung ist
Materie und Antimaterie: Physiker finden neuen Unterschied
Bahnbrechende Erkenntnis hilft den Kosmos verstehen
Einen neuen Unterschied im Verhalten von Materie und Antimaterie haben Wissenschaftler der Gruppe "BABAR" nun am Stanford Linear Beschleuniger (SLAC) in einer bahnbrechenden Messung entdeckt: Unter Beteiligung von Prof. Dr. Helmut Koch, Dr. Marcel Kunze und Dr. Klaus Peters (Fakultät für Physik und Astronomie der RUB) wiesen sie die so genannte "CP-Verletzung" beim Zerfall von B-Mesonen - schweren, kurzlebigen Elementarteilchen - nach. Das Phänomen ist wahrscheinlich verantwortlich dafür, dass es im Universum einen Überschuss der Materie gegenüber der Antimaterie gibt.

Gespiegelte Teilchen löschen sich aus

Antimaterie kommt in unserer Welt gewöhnlich nicht vor, da sich Materie und Antimaterie bei der Berührung gegenseitig vernichten: Wenn sie zusammenkommen, zerstrahlen sie zu Gammastrahlung. Antiwasserstoff ist z. B. das ,,Spiegelbild" des Wasserstoffatoms. Das spiegelbildliche Atom besteht aus Antimaterie - einem positiv geladenen ,,Elektron" (dem Positron), das einen negativ geladenen Atomkern (ein Antiproton) umkreist. An Beschleuniger-Anlagen können Wissenschaftler Antimaterie künstlich erzeugen.

Bahnbrechender Erfolg nach 37 Jahren Suche

Wäre im All gleich viel Materie und Antimaterie vorhanden, würden sie sich gegenseitig auslöschen. Es besteht also ein Materie-Überschuss, dem wir unser Dasein erst verdanken. Einen Grund für diese Asymmetrie fanden Wissenschaftler (Fitch und Cronin) erstmals 1964 und wurden dafür mit dem Nobelpreis belohnt. Sie beobachteten an neutralen K-Mesonen, leichten, langlebigen Elementarteilchen, die CP-Verletzung: einen Unterschied im Verhalten von Materie- und Antimaterie-Teilchen beim Zerfall. Seitdem suchten Physiker weltweit nach weiteren Beispielen für die CP-Verletzung - bis jetzt: "Nach 37 Jahren der Suche wissen die Physiker nun, dass es mindestens zwei Sorten von Elementarteilchen gibt, die dieses erstaunliche Phänomen zeigen", erläutert S. Smith (Princeton Universität), Sprecher der Forscherkollaboration "BABAR".

Aus der B-Mesonen-Fabrik in den Detektor

Die Gruppe entwickelte einen leistungsfähigen Detektor, der kleine Unterschiede bei speziellen Zerfällen von B-Mesonen bzw. ihren Antiteilchen messen kann. Seit etwa zwei Jahren sammelt der Detektor Daten. Unverzichtbar für die Experimente war auch ein 2,2 Kilometer langer Elektronen/Positronen-Speicherring, eine "B-Mesonen-Fabrik". Er erlaubt es, Elektronen- und Positronenstrahlen hoher Energie auf kleinstem Raum kollidieren zu lassen.

Messung bestätigt Modell

In ihrem jetzt zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" eingereichten Beitrag benennen die Forscher den Wert der Asymmetrie mit sin2b = 0,59 ± 0,14, der sich signifikant von Null unterscheidet. Die Wahrscheinlichkeit, dass der Unterschied doch gleich Null ist, liegt bei 1:30.000. Der gefundene Wert bestätigt Vorhersagen des so genannten Standardmodells, das somit seine Gültigkeit behält.

Dank gilt dem ganzen Team

Neu für amerikanische Verhältnisse war die starke Beteiligung nichtamerikanischer Gruppen. Aus Deutschland beteiligten sich Universitätsgruppen aus Bochum, Dresden und Rostock sowohl am Aufbau der Experimente als auch am Betrieb und der Datenauswertung. Die Finanzierung erfolgte überwiegend durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). "Ein großer Teil der Forschung geht auf das Konto von Diplomanden und Doktoranden", betont Dr. Klaus Peters, "und für die maßgebliche technische Unterstützung beim Aufbau der einzelnen Komponenten und Testsysteme danken wir den hervorragenden Werkstätten des Instituts für Experimentalphysik."

Weitere Informationen

Dr. Klaus Peters, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23532, Fax: 0234/32-14170, Email: klaus@ep1.ruhr-uni-bochum.de

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Das meinte ich mit "Spiegelbild" vielleicht checkst du es ja jetzt, was ich schwer bezweifle.
Hast du überhaupt eine Ahnung das ich vor abermillionen Beiträgen schon geschrieben habe "Sie sind von der Ladung her unterschiedlich" und das meinte ich mit Spiegelbild? Offensichtlich nicht, oder irgendwie bleibt die Information die deine Augen bei den Beiträgen aufnehmen, schon am Sehnerv hängen, und gelangen nie zu deinem Vakuumgehirn.

Nein im Ernst: Interessiert euch so ein scheiß? Streiterein wegen Rufzeichen und weil eine gewisse Person(ich will wieder keine Namen nennen, weil vielleicht ist er ein Nazi, sieht man ja am Avatar, kommt dann mit seinen Skinheads und will mir ne neue Frisur verpassen) nicht ordentlich Beiträge lesen kann und es dann auch noch immer nicht versteht, wenn man es Ihm in jeden neuen Beitrag in die Birne hämmern muss?
Ich kann echt nicht verstehen wieso Gott bei Naivität und Dickköpfigkeit bei dieser Person besonders fleißig war, aber ich vermute wegen dem Weltausgeich: Würde diese Person am Südpol sein, und alle anderen Menschen am Nordpol, würde seine Dummheit dei Erde aus dem Sonnensystem ziehen...
Jetzt nochmal die Hackfresse: ;-DD ich hoffe der Kiefer dieser Person ist bald wieder angewachsen,
Gute Besserung dumme Person!!!

Der Teufel steckt im Detail...
http://www.raus.de/crashme/ (Archiv-Version vom 03.12.2003)

Auf was für ein Niveau geht ihr hier eigentlich runter, beschimpft euch als behinderte. LaMortis ich würde mal gerne wissen woher du weißt das er behindert ist und ob du was gegen behinderte hast, wenn du es schon als Schimpfwort auffast ? Und scheiße zu erzählen hat nichts mit freier Meinungsäußerung zu tun, mach dir das mal klar.

Ich glaube die Erde ist eine Scheibe, der Mittelpunkt des Universums und die Sonne "kreißt" um die Erde.

So meine Meinung ? Ist sie was wert ? NEIN verdammt nochmal, vllt. früher aber NICHT HEUTE. Wenn etwas erwiesen ist UND beobachtet wurde UND eine gute erklärung dafür gefunden wurde, dann macht es keinen Sinn jetzt zu sagen ne das ist aber so. Gut man kann sich über alles streiten warum es so ist wie es ist usw... Aber die Tatsache das AM und M sich vernichten kannst du NICHT wiederrufen in dem du sagst die glühen durcheinander durch wie ein Hologramm.

Ihr benutzt diesen Thread hier nur noch um euch Gegenseitig niederzumachen als Rassisten, behinderte und schwachköüfe usw usw zu bezeichnen, habt ihr denn nichts besseres zu tun ? Müsst euch euch an aufsagen der anderen hochziehen und diese Beleidigen ? Wenn ihr nicht fähig dazu seid ihr eine geordnete Disskusion zu führen, dann macht den Thread zu hier kommt sowieso nur noch geistiger Dünschiss zusammen.

Denkt mal nach bevor ihr hier irgendeinen Müll schreibt.

So jetzt hab ich mich auch auf das Niveau runtergelassen.

So long

D2O

jo was soll ich da noch sagen...

darf ich als dummer, behinderter nazi mit hackfresse der vor dickköpfigkeit sprüht und dessen hirn ein vaukuum ist überhaupt was sachliches sagen?

ich wage es mal;
hättest du von dem spiegelbild geredet, dass da in den text (den du mal so am rande wahrschienlich eh net kapiert hast...) wäre ja alles in ordnung gewesen; leider decken sich aber deine aussagen nicht mit den im text; von wegen elektronen im kern und so ein unfug...

aber gal, du verstehst es so oder os nicht.

danke für die aufmerksamkeit, der nazi.

"Ich hab des öfteren gesagt; Irmengard, wenn man sieht, dass eine Sache genetisch versaut ist, kann man da mit Prügeln alleine nichts machen. Die Irmengard hat dann immer geweint." (Gerhard Polt & Biermösl Blosn aus "Willi - ein Verlierer. Drama in drei Akten" auf "125 Jahre DIE TOTEN HOSEN auf dem Kreuzzug ins Glück")

gibts hier eigentlich keine mods die sowas unterbinden?

ups, is ja schon passiert :) aber hätte man auch früher machen können oder ?
{8=)

der gute, eloquente lamortis durfte ja schon vor letzte woche ne zwei tage pause genießen...

also echt, ich muss mir das nicht gefallen lassen, dass ich hier aufs übelste beschimpft werde

"Ich hab des öfteren gesagt; Irmengard, wenn man sieht, dass eine Sache genetisch versaut ist, kann man da mit Prügeln alleine nichts machen. Die Irmengard hat dann immer geweint." (Gerhard Polt & Biermösl Blosn aus "Willi - ein Verlierer. Drama in drei Akten" auf "125 Jahre DIE TOTEN HOSEN auf dem Kreuzzug ins Glück")

Dann halt die Fingerchen still!

Experten widerspricht man nicht!!
Besser man wartet bis sie es selber tun.

Wissenschaftler vom CERN, dem Europäischen Labor für Teilchenphysik, haben sich keine geringere Aufgabe gestellt, als die Frage nach dem Warum des menschlichen Lebens neu zu beantworten. Dazu wird in einer Fabrik in Genf das wohl explosivste und gleichzeitig exotischste Produkts auf der Welt hergestellt: Antimaterie. Nichts ist aufwändiger zu produzieren und schwieriger zu handhaben, denn: Kommt Antimaterie mit Materie in Kontakt, wird in einem Riesenknall alles in Energie umgewandelt. Science-Fiction-Liebhaber kennen das Phänomen: Das Raumschiff Enterprise und die Star-Wars-Raumkreuzer werden mit Antimaterie betrieben - dem effizientesten Raketenantrieb. Doch dies ist Fiktion. Der spannende Stoff kann heute nur in geringsten Mengen hergestellt werden, er ist aber für die Wissenschaft hochinteressant. Denn die Untersuchung von Antimaterie soll die Frage beantworten, warum es uns überhaupt gibt. Dazu wollen die Forscher Antimaterie im Labor in winzigen Mengen herstellen. Beim Urknall vor fünfzehn Milliarden Jahren müssen riesige Mengen von Antimaterie entstanden sein. Laut Theorie hätten sich Materie und Antimaterie wieder vernichten müssen. Anstelle von Galaxien mit Sternen und Planeten wie der Erde und uns Menschen wäre der Raum bloß von Licht erfüllt.


Warum wir Menschen materielle Wesen sind und keine Lichtteilchen, die durchs Universum treiben - dies ist die Frage, der die Wissenschaftler nachgehen, wie Rolf Landua, Physiker am CERN, erläutert. Um die Welt der Antimaterie zu verstehen, müsse man sich einen ganz speziellen Spiegel vorstellen, der nicht nur rechts und links vertausche, sondern auch die Zeit rückwärts laufen lasse und die Ladungen der Teilchen vertausche. Der Spiegel trete immer dann in Aktion, wenn Energie in Materie verwandelt werde. Immer wenn dies passiere, werde ein Teilchen produziert, etwa ein Proton und gleichzeitig ein Antiproton, also ein Anti-Teilchen. Dieses Antiteilchen stelle das Spiegelbild des eigentlichen Teilchens dar. Das CERN hat Erfahrung mit Antimaterie. 1995 gelang den Forschern in Genf erstmals die Herstellung von Antiwasserstoff. Doch die wenigen Atome zerfielen zu schnell wieder, um Messungen durchführen zu können. Das wollen die Wissenschaftler jetzt nachholen. Im September lieferte die neue Maschine erstmals Daten über die Welt der Antimaterie, die identische, aber entgegengesetzte Werte aufweist wie die Materie. Ein Gramm Antimaterie würde heute Trillionen Dollar kosten, denn schon die Herstellung eines einzelnen Anti-Atoms ist äußerst schwierig. Mit ihren neuen Maschinen am CERN wollen die Forscher mehrere Anti-Wasserstoff-Atomen pro Sekunde produzieren und so eine Art Spiegelwelt zu unserer normalen Welt studieren. Rolf Landua betont, dass Antimaterie nicht aus irgendwelchen Bergwerken gewonnen werden könne wie beispielsweise Uran oder Erdöl. Antimaterie müsse vielmehr erst hergestellt werden - ein recht ineffizienter Prozess, denn zuerst müsse Energie investiert werden, um sie anschließend wieder zurückzugewinnen.




Treffen ultraschnelle Teilchen auf Metall, so wird daraus gemäß Einstein Energie - es entstehen neue Teilchen und ihre Antiteilchen, Protonen und Antiprotonen: Bausteine von Atomen und Anti-Atomen. In einem Ring entlang der Experimentierhalle bremsen die Forscher die schnellen Anti-Protonen, um sie unter Kontrolle zu bringen und einfangen zu können. Um Anti-Atome herzustellen, braucht es aber nicht nur Anti-Teilchen für den Atomkern, sondern auch Teilchen für die Atomhülle: statt Elektronen, wie normal, Positronen. Doch wie stellt man daraus Anti-Wasserstoff her? Rolf Landua vergleicht das Verfahren mit einem Cocktail-Mix. Eine Flasche wird mit Antiprotonen angefüllt. Eine weitere Flasche wird mit Positronen gefüllt. Alles zusammen wird nun in ein drittes Gefäß gegeben und gut durchgeschüttelt. Die Hoffnung ist, dass dabei Antiwasserstoff herauskommt. Die Flasche mit Anti-Protonen ist kompliziert gebaut. Starke Magnetfelder verhindern, dass die Teilchen an der Gefäßwand zerstrahlen. Eine radioaktive Quelle erzeugt die Positronen, die zu den Antiprotonen geleitet werden. Jetzt kommt es darauf an, dass die Teilchen lange genug im Innern der Magnetflasche gefangen bleiben. Denn: Nur wenn sich ein Positron mit einem Antiproton verbindet, entsteht ein Anti-Wasserstoff-Atom. Das genau ist der erhoffte Prozess zur Herstellung von Antimaterie. Die Anti-Atome haben ein kurze Lebensdauer. Treffen sie auf die Gefäßwand, zerstrahlen sie. Doch die Energie wird von Detektoren registriert. Sie geben den Forschern Aufschluss über das, was passiert ist. Die Spiegelwelt der Antimaterie erforschen und Unterschiede zur Welt der Materie finden: Das ist das Ziel der Physiker am CERN. Noch dieses Jahren hoffen sie, auf die geglückte Herstellung der ersten Antiwasserstoff-Atome anstoßen zu können.




Hmm..........







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Die Antimaterie ist nichts Geheimnisvolles. Genauer gesagt, sie war einmal etwas Geheimnisvolles, allerdings nur fuer 4 oder 5 Jahre.

Nachdem Einstein seine Relativitaetstheorie aufgestellt und die Quantenphysiker die Quantenmechanik aufgestellt hatten, gab es Versuche, diese beide Theorien, die eine im Bereich des Makrokosmos gut bewährt und die andere im Bereich des Mikrokosmos, zu vereinigen. Der erste Erfolg gelang Paul Dirac.

Dirac ist ein englischer Physiker und ein unglaublich brillianter Mathematiker. Dirac vollendete 1928 eine Theorie, die die Quantenphysik und die spezielle Relativitaetstheorie zusammenbindet, und die bis heute ihre Gültigkeit bewahrt hat (trotz vieler Entdeckungen, die erst danach kamen). Dirac bemerkte in seiner neuen Theorie, dass es Lösungen gibt, die auf dem ersten Blick physikalisch nicht sinnvoll erscheinen.

Um diese Sachverhalt zu verdeutlichen, lassen sie uns einmal mit einer ganz einfachen Aufgabe einen Vergleich machen: Ein quadratisches Gelände hat eine Fläche von 4 km^2, wie gross ist die Seitelaenge? 2km sagt der Schueler. Naja, der peinlich genauer Mathematiker wuerde sagen plusminus 2km. Aber offensichtlich gibt es fuer die -2km keinen physikalischen Sinn, also nimmt man die +2km als Loesung.

So ähnlich war nun es auch Dirac ergangen. Nun war Dirac einer jener Menschen, die der Mathematik sehr vertrauen. Wenn die Mathematik schon so eine Lösung liefert, dann muss sie in der Natur auch einen Sinn haben, sagte er sich. Und so sah er, dass man diese Loesung als eine Art Anti-Materie betrachten kann.

Diese Anti-Materie hat mit der Materie fast alles gemeinsam, die Masse, die Energie, das Verhalten, die Ladungsmenge, nur nicht das Ladungsvorzeichen. Ein Stueck Anti-Materie, das etwa einem Elektron entspricht, wuerde also nicht etwa eine Minuselementarladung besitzen, sondern eine Pluselementarladung.

Nun hat bis 1928 noch keiner eine Antimaterie gesehen, so standen viele Physiker auch dieser Spekulation von Dirac sehr skeptisch gegenüber. Schliesslich sind die Physiker ja keine Mathematiker und für sie existiert genau das, was auch tatsächlich in der Natur nachgewiesen werden kann.

So vergingen 4 Jahre, und am 2.August 1932 machte ein Amerikaner namens Carl Anderson auf der Sternwarte von Mount Wilson eine Entdeckung, die besagt, dass Diracs Spekulation richtig ist.

Was hat dieser Anderson gemacht? Dieser Anderson hat die Höhenstrahlung untersucht. Damals gab es noch keine Teilchenbeschleuniger, und die Physiker wussten auch noch nicht, wie man so richtig hochenergetische Teilchen erzeugen kann. Aber damals wusste man schon von Höhenstrahlung, die wurde nämlich noch früher durch Höhenbalons mit entsprechenden Geräten an Bord entdeckt. Nun sagten die Physiker, na gut, wenn wir noch keine Teilchenbeschleuniger zu bauen wissen, können wir doch die Natur benutzen. Also nahm man die Teilchen zur Untersuchung, die von der Höhenstrahlung kommen.

Da man nie so richtig weiss, wann denn ein Teilchen ankommt, und das Warten darauf zu langweilig ist, überlässt der faule Mensch das Warten einen Photoapparat. Bei Anderson wurde ein Nebelkammer benutzt, der von Bleiplatten durchtrennt war, und daneben eine Kamara. Parallel zur Kamara war noch ein magnetisches Feld geschaltet. Wenn ein elektrisch geladenes Teilchen durch dieses magnetisches Feld fliegt, dann macht seine Bahn eine Krümmung. Diese Krümmung hängt von zwei Grössen ab: die Masse des Teilchens (genauer gesagt, das Verhältnis Masse/Ladung, da allerdings die Höhenstrahlung nur Teilchen mit 1 Elementarladung aufweisen, gibt diese indirekt den Hinweis auf Masse) und die Geschwindigkeit des Teilchens. Die Richtung, nach welche Seite die Spur gekrümt ist, hängt von dem Vorzeichen der Ladung ab (aber das musst Du eigentlich schon in der Schule gehabt haben, von wegen Rechtehand-Regel und so).

An jenem besagten August-Tag nun registrierte die Kamera von Anderson eine Spur, die ausserordentlich seltsam war. Von der Richtung der Krümung sah man, dass es eine positive Ladung war. Da man damals ausser Elektronen nur Protonen kannte, würde man daraus schliessen, dass das ein Proton gewesen sein musste. Allerdings durchdringt die Spur eine Bleiplatte. Das muss bedeuten, dass das Teilchen eine sehr hohe Geschwindigkeit gehabt haben musste. Wenn das ein Proton wäre und wenn seine Geschwindigkeit so gross wäre, würde er aber einen viel groesseren Krümungsradius haben als der auf der Platte. Folglich: das Teilchen, das diese Spur verursacht hatte, hat eine viel kleinere Masse.

Das ist doch was äusserst merkwürdiges, dachte sich Anderson und beschloss, die Sache genauer zu untersuchen, so konnte er aus der Spur vor und nach der Bleiplatte die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen und somit die Masse, und siehe da, die Masse war genau so gross wie die des Elektrons. Somit hatte Anderson ein positives Elektron, also ein Positron, entdeckt. Das war das erste Anti-Materie-Teilchen, dass je in der menschliche Geschichte dokumentiert wurde.

Heute kennt man schon so viele Positronen, dass Photoplatten der Hoehenstrahlung mit einem Positron-Spur glatt weggeworfen werden, weil sie völlig uninteressant sind.

Nun, wie entstehen die Positronen in der Höhenstrahlung (und damit verbunden auch die Frage, wie macht man sowas), schliesslich besteht ja unsere Welt aus Materie. Die Höhenstrahlung besteht aus Teilchen mit sehr hoher Geschwindigkeit (zum Beispiel Elektronen oder Protonen, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegen) oder sehr hochenergetische Photonen (also Gamma-Strahlung). Wenn diese Teilchen auf ein irdisches Teilchen in der Atmosphäre trifft, dann zerschmettert dieses das irdische Teilchen buchstäblich. Daraus wird zuerst einmal ein riesen Trümmerhaufen, der sich mit ebenfalls immer noch sehr hoher Geschwindigkeit bewegt. Dabei können Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen, ein hochenergetisches Photon kann also zum Beispiel in einem Positron und einem Elektron zerfallen. Das ist das Umkehrereignis, wie wenn ein Positron ein Elektron trifft, dann gibt es ein Lichtblitz. So stellen heutzutage die Physiker auch in den Teilchenbeschleunigern Antimaterie her: Man beschleunigt zum Beispiel Elektronen oder Protonen so stark, dass sie fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen und zerschmettern sie auf Atomkerne, dabei kann unter anderem auch Antimaterie entstehen.

An sich ist dies inzwischen schon Routine bei den Hochenergie-Physikern. Wenn zum Beispiel die Ringe bei DESY oder bei CERN laufen, werden täglich Milliarden von Positronen erzeugt.

Diese erzeugte Teilchen fliegen aber ebenfalls mit sehr hoher Geschwindigkeit. Diese zu fangen und abzubremsen, das ist nun eine wahre Kunst, die ebenfalls eine lange und wundervolle Entwicklungsgeschichte hinter sich hat und einige Nobelpreise hervorgebracht hatte. Vor etwa 5 Jahre war man so weit, dass man Anti-Protonen so weit abkühlen konnte, dass man sie in einem thermosflaschenfoermigen Behaelter in einem Pkw von der Ostkueste des amerikanischen Kontinents bis zur Westkueste transportieren konnte (ich moechte gern wissen, welche Gefahrengut-Transport-Tafel das Fahrzeug getragen hatte :-).

Anti-Protonen oder Positronen sind deswegen "leicht" zu behandeln, weil sie elektrisch geladen sind. Elektrisch geladene Teilchen kann man immer mit elektrischen oder magnetischen Kräften ablenken, während bei neutralen Teilchen das schon viel schwieriger ist, zumal bei den Anti-Teilchen man sie nicht antasten kann, weil wie vorhin schon beschrieben, sie sonst in einem Lichtblitz zerstrahlen. Das ist auch der Grund, warum die Anti-Protonen transportiert werden konnten und die Anti-Wasserstoff-Atome binnen kuerzester Zeit wieder weg waren.

Um diese schon recht lange (und doch immer noch nicht ausführlich genuegende) Mail zu beschliessen, haenge ich noch drei Literatur-Empfehlungen fuer das weiterlesen (alle drei aus dem Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft"):



Einschluss neutraler Teilchen mit Laserstrahlen (*)
von Steven Chu 1992 / 4 S.68 - 75
Elektrisch neutrale Partikel wie Atome oder Makromolekuele lassen sich mittels Laserlicht nahezu vollständig zur Ruhe bringen und gezielt beeinflussen. Damit eroeffnen sich neue Anwendungen in Physik und Biochemie. So kann man etwa Gase bis fast auf den absoluten Nullpunkt kühlen, präzisere Atomuhren entwickeln oder einzelne DNA-Moleküle strecken.

Kühlung und Speicherung von Antiprotonen
von Gerald Gabrielse 1993 / 2 S.44 - 51
Mit einem neuen Verfahren lassen sich die in Beschleunigern erzeugten hochenergetischen Antiteilchen der Protonen abbremsen und einsperren. Die Untersuchung dieser Partikel niedrigster Energie liefert die bisher genauesten Vergleiche der Eigenschaften von Materie und Antimaterie.

Paul Dirac und das Schoene in der Physik
von R. Corby Hovis & Helga Kragh 1993 / 7 S.84 - 90
Sein Leben widmete er der Suche nach mathematischer Eleganz in den Naturgesetzen. Geradezu besessen von dieser Vorstellung gelangen ihm bahnbrechende Erkenntnisse in der Quantentheorie -- wie etwa die Voraussage der Antimaterie.

Ferner das wunderschoene Einfuehrungsbuch in die Quantenmechanik vom Spektrum-Verlag: Das Quantenuniversum.

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Antimaterie kommt in unserer Welt gewöhnlich nicht vor, da sich Materie und Antimaterie bei der Berührung gegenseitig vernichten. An Beschleuniger-Anlagen kann Antimaterie jedoch künstlich erzeugt werden. Mit elektromagnetischen Fallen läßt sich Antimaterie sogar einfangen und berührungslos im Vakuum speichern.


Antiwasserstoff ist das ,,Spiegelbild" des einfachsten stabilen Atoms, des Wasserstoffatoms. Das spiegelbildliche Atom besteht aus Antimaterie - einem positiv geladenen ,,Elektron" (dem Positron), das einen negativ geladenen Atomkern (ein Antiproton) umkreist.


Unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik wird am europäischen Teilchenphysik-Zentrum GERN in Genf derzeit ein Experiment zur genauen Untersuchung von Antiwasserstoff aufgebaut. Folgende Fragestellungen sollen dort untersucht werden:


Leuchtet Antiwasserstoff genauso wie Wasserstoff? Die grundlegende Materie-Antimaterie-Symmetrie der Physik sagt voraus, daß Wasserstoff und Antiwasserstoff identische Spektren haben. Diese Vorhersage kann durch höchstauflösende Laserspektroskopie von Antiwasserstoff mit großer Genauigkeit überprüft werden. Sollte sich auch nur der kleinste Unterschied zeigen, so hätte das weitreichende Folgen für die gegenwärtige Physik.
Fällt Antimaterie nach unten oder ,,fällt" sie nach oben? Nach spekulativen Voraussagen von möglichen Quantentheorien der Graviation kann sich die Fallbeschleunigung von Antimaterie von der Fallbeschleunigung von Materie unterscheiden. Das muß nicht unbedingt heißen, daß Antimaterie nach oben fällt. Es wäre aber durchaus denkbar, daß Antimaterie etwas schneller fällt als Materie. Antiwasserstoff als neutrales Atom ist ideal für Experimente in dem völlig neuen Gebiet der Graviation von Antimaterie geeignet.

Zur Untersuchung von Antiwasserstoff wird Laserlicht im kurzwelligen Ultraviolett bei 121 nm benötigt. Licht dieser Wellenlange kann Antiwasserstoff zur Fluoreszenz anregen und ihn somit ,,sichtbar" machen. Eine wichtige Voraussetzung für Experimente zur Gravitation ist, daß die thermische Bewegung der Antiwasserstoffatome abgebremst wird. Mit Laserlicht bei 121 nm können Antiwasserstoffatome gekühlt und nahezu zur Ruhe gebracht werden.

Zum Tag der offenen Tür können Sie hier die einzige kontinuierliche Laser-Lichtquelle der Welt für eine derart kurze Wellenlänge besichtigen. Das Licht wird durch Mischung von mehreren sichtbaren und unsichtbaren Wellenlangen erzeugt. Die Wellenlängen der beteiligten Laserstrahlen sind 257 nm (ultraviolett), 399 nm (tief-blau), 514 nm (blau-grün), 545 nm (gelb-grün), und 798 nm (nahinfrarot).





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Antimaterie ist Materie, die aus Antiteilchen aufgebaut ist. Ein Atom Anti-Wasserstoff besteht zum Beispiel aus einem negativ geladenen Antiproton, das von einem positiv geladenen Positron umkreist wird. Beim Aufeinandertreffen eines Teilchen-Antiteilchen-Paares annihilieren sich beide gegenseitig unter Energiefreisetzung, etwa in Form anderer Teilchen und Antiteilchen oder als elektromagnetische Strahlung (Gammastrahlung).

Antimateriepartikel können mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern unter immensem Energieaufwand hergestellt werden. Da dieser Prozess sehr ineffizient ist, muss deutlich mehr Energie aufgewendet werden als bei der Annihilation wieder frei wird.

Antimateriepartikel werden in der Physik mit einem Querstrich gekennzeichnet, also beispielsweise:

p - Proton

- Antiproton



In Teilchenbeschleunigerreaktionen zeigt sich, dass reine Energie (Photonenstrahlung, Bewegungsenergie...) immer paarweise zu gleichen Mengen in Materie und Antimaterie umgewandelt wird. Auch nach den bisher gefundenen theoretischen Gesetzen macht die Natur keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie und behandelt beide vollkommen gleichwertig.

Somit sollte man erwarten, dass nach dem heißen und dichten Anfangszustand des Universums (Urknall) Materie und Antimaterie in gleichen Mengenverhältnissen entstanden und noch heute vorzufinden sind. Trotzdem zeigen alle bisherigen Beobachtungen im Kosmos nur eine Form, willkürlich Materie genannt. Dieses offensichtliche 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.

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.

Das 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, so wäre alle Materie nach der Abkühlung des Universums wieder mit der Antimaterie in Strahlung umgewandelt worden.

Die sogenannte kosmische Hintergrundstrahlung lässt sich sehr gut mit der Urknalltheorie als Relikt aus der zeitlichen Epoche deuten, als die beim Urknall entstandene Materie mit der Antimaterie wieder vernichtet wurde. Der Vergleich von Modellrechnungen und astronomisch gemessenen Daten (Primordiale Nukleosynthese, WMAP) untermauern diejenige These, nach der es anfänglich ein fast gleiches Verhältnis von Materie und Antimaterie gegeben haben muss. Lediglich ein winziges Ungleichgewicht von 1 000 000 001 Teilchen über 1 000 000 000 Antiteilchen bewirkte, dass ein Rest an Materie übrig blieb, der unser heutiges Universum ausmacht.

Neueste Untersuchungen bestätigen die Bevorzugung der Materie im Universum. Am SLAC wurden 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 1 / 2 Mal häufiger in ein Pion und ein Kaon zerfallen als deren Antiteilchen. In der Vergangenheit wurde dieser Effekt, der CP-Verletzung genannt wird, schon bei Kaonen untersucht. Allerdings liegt der Unterschied dort bei 4 in einer Million.

Tja........


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Jeder, der schon einmal eine Science-Fiction-Serie gesehen hat, weiß, dass wir im Jahr 2398 die Antriebsaggregate unserer Raumschiffe mit Antimaterie betreiben werden. Aber noch ist es ja nicht so weit; was ist also dran am Begriff Antimaterie? Oder fragen wir noch einfacher, wie stehts mit den Antiteilchen, aus denen die Antimaterie aufgebaut sein soll?


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Grundsätzlich gilt:
Zu jedem elementaren Teilchen (Quarks, Leptonen und Austauschteilchen) gibt es ein Antiteilchen.
Das Antiteilchen hat die gleiche Masse wie sein korrespondierendes Teilchen, aber bei allen anderen Ladungen (z.B. der elektrischen Ladung) besitzt es das entgegengesetzte Vorzeichen.


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Das bekannteste Antiteilchen ist das Positron, das Antiteilchen des Elektrons. Es hat die gleiche Masse, wie das Elektron, trägt aber eine positive Elementarladung. Rechts ist das Foto einer Positron-Spur durch eine Nebelkammer abgebildet, das 1932 von Anderson aufgenommen wurde. Die Spur ist gekrümmt, da senkrecht zur Bildebene ein Magnetfeld herrschte. Das Positron flog von unten (nur wenig gekrümmte Bahn) durch eine 7 mm dicke Bleiplatte, wurde abgebremst und flog mit verminderter Geschwindigkeit weiter (stärker gekrümmte Bahn). Ein Elektron mit derselben Energie hätte eine Bahn durchflogen, die aufgrund der negativen Ladung in die andere Richtung gekrümmt gewesen wäre. Abgekürzt schreibt man für das Positron e+.


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Meistens hat man den Antiteilchen aber keine neuen Namen gegeben, sondern setzt nur die Vorsilbe "Anti-" davor, wie bei Antiquark, Antiproton, Antineutrino etc..
Für ein Antiteilchen verwendet man den gleichen Buchstaben wie für sein korrespondierendes Teilchen, es wird lediglich ein Querstrich darübergesetzt (Hinweis: aus technischen Gründen kann hier kein Querstrich über, sondern nur durch den Buchstaben gezogen werden, z.B. u und u für u-Quark und u-Antiquark).



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Grundsätzlich gilt, dass jedes Elementarteilchen (d.h. jedes Fermion) ein entsprechendes Antiteilchen hat. Das Antiteilchen hat hierbei dieselbe Masse, Lebensdauer und Struktur wie sein korrespondierendes Teilchen, sowie denselben Spin. Alle Ladungen (elektrische Ladung, Farbladung, Elementarladung) und die Baryonen- und Leptonenzahl haben den gleichen Betrag, jedoch das umgekehrte Vorzeichen. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist das Elektron, dessen Ladung negativ ist; die des Positrons (Antiteilchen des Elektrons) ist jedoch positiv.

Da unsere Umgebung aus "normaler Materie" besteht, spielt die Antimaterie nur eine untergeordnete Rolle auf unserer Erde. Allerdings ist sie in den Höhenlagen unserer Stratosphäre, als Teil der sogenannten Höhenstrahlung, auffindbar. Dieses natürliche Labor der Teilchenphysik war auch Fundort der ersten Antiteilchen. Im August des Jahres 1932 entdeckten Forscher zufällig das Positron und bewiesen somit die "Löcher-Theorie", die von der Existenz der Antimaterie ausging. Ein neues komplexes Forschungsgebiet der Teilchenphysik wurde erschlossen.

Seitdem wurden große Teilchenbeschleuniger und Speicherringe gebaut, um Antimaterie in kleinen Mengen herstellen und erforschen zu können. Ein faszinierendes Phänomen, das in den Forschungseinrichtungen beobachtet wird, ist die die sogenannte Annihilation. Diese tritt dann auf, wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinanderprallen und vollständig in Energie umgewandelt werden. Diese Entdeckung beflügelte die Phantasie vieler Science Fiction Autoren, die der Antimaterie-Annihilation ein hohes Potenzial im Bereich der Raumfahrt, aber auch in der Waffentechnologie, beimaßen. Diese Aussichten gaben Forschern Anlass dazu, über die Möglichkeiten, die die Antimaterie mit sich bringt, zu ergründen. Da jedoch die künstliche Erzeugung von Antimaterie momentan ein zu großer Kostenaufwand in der Forschung und praktischen Anwendung bedeutet, wird auch nach natürlichen Vorräten von Antimaterie in unserem Universum geforscht.

Die Entwicklung dieser Forschungen und Überlegungen bis zum heutigen Tage sollen auf den nachfolgenden Seiten dokumentiert und erläutert werden.


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Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die aus der klassischen Physik bekannten Formeln für die kinetische Energie und den Impuls eines bewegten Teilchens so abgewandelt, dass das die relativistische Massenzunahme


berücksichtigt wurde. Ziel war es, die Gesamtenergie eines bewegten Teilchens relativistisch zu beschreiben, da sie sich mit Geschwindigkeiten nahe an der Lichtgeschwindigkeit bewegen. In der klassischen Physik beschreibt man die Gesamtenergie in dem Ausdruck:


Nach Einstein musste die Formel in zweierlei Hinsicht erweitert werden. Es musste die relativistische Massezunahme (siehe oben) berücksichtigt werden, sowie die Ruhenergie


Da die Gesamtenergie mithilfe des Impulses p beschrieben werden soll, führt man dessen Formel unter Berücksichtigung der relativistischen Massezunahme ein.


Nach dem Einstein-Gesetz über die Äquivalenz von Masse und Energie gilt für die Gesamtenergie Wges eines bewegten Teilchens:


Die Gleichung der relativistischen Massenzunahme wird quadriert und so umgeformt, dass man folgendes erhält:



Dem Minuszeichen in der obigen Endformel konnten Forscher keine Bedeutung beimessen. Denn "[w]ie sollte man sich [...] eine negative Teilchenenergie vorstellen? Ein Teilchen mit negativer Energie Ð das schien etwas völlig Sinnloses zu sein. Auf der anderen Seite war es höchst unbefriedigend, das nicht Interpretierbare einfach beiseite zu lassen, als wäre es nicht vorhanden. [Paul] Dirac versuchte deshalb, das Problem durch eine neue mathematische Formulierung aus der Welt zu schaffen."1

Dirac ging vom Beispiel des Elektrons aus, für dessen Gesamtenergie folgende Formel gilt:


Voraussetzung dafür, dass beiden Vorzeichen eine Bedeutung gegeben werden kann, ist, dass es sowohl Elektronen positiver als auch negativer elektrischer Ladung gibt.

Es gibt also nicht nur einen, sondern zwei Energiebereiche, die von Elektronen besetzt sein können: den positiven und den negativen:


Zwischen diesen beiden Energiebereichen liegt ein für freie Elektronen "verbotener" Bereich. Er ist verboten, weil der Betrag der Elektronenenergie nicht kleiner als die Ruhenergie der Elektronen sein kann. Die Elektronen tendieren dazu, nach Möglichkeit die kleinstmögliche Energie anzunehmen und liegen deshalb meist in der unteren Energieebene. Eine Energie, die den verbotenen Bereich überbrücken kann (1,022 MeV=1 Gammaquant), kann ein Elektron mit negativer Energie auf das energetische Niveau eines Elektrons mit positiver Energie (d.h. ein normales Elektron) bringen. Dabei entsteht im unteren Energiebereich ein "Loch". Die Erforschung der Löcher war somit der Anfang der Erforschung der Antimaterie.


Experten widerspricht man nicht!!
Besser man wartet bis sie es selber tun.

Beim Aneinanderprallen (Kollidieren) eines Teilchens mit seinem Antiteilchen tritt, wie eingangs erwähnt, deren gegenseitige Vernichtung, genannt Annihilation, ein. Dabei kommt es, gemäß Einsteins berühmter Formel von der Äquivalenz der Masse zur Energie


zu einem Übergang der Teilchenmasse in reine Energie. Mit einem Wirkungsgrad von 100% ist diese Art der Energiegewinnung die effizienteste. Da die Energie sehr konzentriert austritt und dadurch ein sichtbarer "Energieblitz" in Erscheinung tritt, kann die Annihilation in Teilchenbeschleunigern wie CERN und DESY beobachtet werden. Die Energie aus der Teilchenmasse tritt aus als Gammastrahlung, also als hochfrequente elektromagnetische Wellen.


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Besser man wartet bis sie es selber tun.

In unserem letzten Jahrhundert wurden eine große Anzahl von Entdeckungen im naturwissenschaftlichen Bereich gemacht. Zu diesen gehört auch die Entdeckung der Antimaterie, welche die Elementarteilchenphysik einen großen Schritt vorwärts brachte.

Dazu führe ich im Folgenden die Diracsche Löchertheorie von 1930 auf, welche sich mit der Existenz von Antimaterie beschäftigt. Aus diesen Überlegungen heraus kam es zu einer Neudefinierung der Energie (positive und negative Energie). Als nächstes berichte ich von der Entdeckung des ersten Positrons (1932), welches eigentlich nur durch Zufall in einer Nebelkammer beobachtet wurde. Ein weiteres wichtiges Ereignis, auf das ich näher eingehen möchte, ist der Nachweis des Antiprotons im Bevatron in Berkeley (Kalifornien, 1954). Als Letztes möchte ich noch kurz auf die heutigen Materie- Antimaterie Versuche hinweisen, die in den modernen Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden.

Als Erstes möchte ich auf die Löchertheorie von Paul A. M. Dirac eingehen, welche das neue Element, die Antimaterie, in unsere Physik einführte. Die Vorhersage zur Existenz der Antimaterie war jedoch mit einigen Schwierigkeiten verbunden.

Das erste Problem war die Bestimmung der Energie, die ein Elektron besitzt. Bisher war lediglich die von Werner Heisenberg und Erwin Schröder entwickelte Quantenmechanik bekannt, durch welche man die Elektronen näher beschreiben konnte. Hierbei wurden jedoch die hohen Geschwindigkeiten, welche die Elektronen besitzen, völlig vernachlässigt.

In diesem Fall konnte jedoch die inzwischen durch Albert Einstein aufgestellte Relativitätstheorie weiterhelfen. Da sich die Teilchen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen, muss die gesuchte Gleichung eine Mischung aus der Quantenmechanik und der Einsteinschen Relativitätstheorie sein.

In der Gleichung der Quantenmechanik wird die Energie über den Impuls beschrieben, bei der Relativitätstheorie wird die Energie jedoch durch einen Wert unter einer Wurzel beschrieben.


Bekanntlich ist das Ergebnis einer Quadratwurzel positiv und negativ. Diese Tatsache birgt ein Problem in sich, da Energie bisher nur als positiv definiert war. Also versuchte Dirac auf irgendeine Weise das Wurzelzeichen zu umgehen (durch Einführen von Matrizen) und bekam als Ergebnis vier Gleichungen, von denen zwei den Spin eines Elektron beschrieben, welcher eigentlich gar nicht das Ziel Diracs war.

Aber er hatte ja noch zwei weitere Formeln übrig, die noch zu entschlüsseln waren. Jedoch kam er auf keinen grünen Zweig und da Paul A.M. Dirac ein Mensch war, der an die Symmetrie der Mathematik glaubte, konnte er das widersprüchliche Minuszeichen nicht einfach wegfallen lassen. Stattdessen musste es in seine Theorien integrieren. Sein Ergebnis war die sogenannte Löchertheorie, die davon ausgeht, dass es zwei Energieniveaus gibt, ein Positives und ein Negatives. Zwischen diesen Zonen ist ein Bereich, in dem sich keine Elektronen befinden und sich auch nicht befinden können. Es ist jedoch möglich, durch Zuführen von Energie, ein Teilchen mit negativer Energie auf ein Niveau der Teilchen mit positiver Energie zu befördern. Hierzu ist die Energie von 2 mc2 nötig. Dennoch hatte diese Theorie einige Makel, die im Laufe der Zeit behoben wurden.

Im Jahre 1932 war es dann soweit. Carl David und sein Schüler Seth Neddermeyer fanden das Positron, ein Elektron mit positiver Ladung. Diese Entdeckung bestätigte Diracs Vermutung über die Antimaterie, die somit unumstritten war.

Die Entdeckung des Positrons war mehr oder weniger zufällig. Die beiden Wissenschaftler machten Experimente mit Nebelkammern. Diese Nebelkammern waren mit einem Magnetfeld durchsetzt, sodass ein geladenes Teilchen, welches die Nebelkammer durchfliegt, durch das Magnetfeld auf eine Kreisbahn gedrängt wird.

Am 2. August des Jahres 1932 machten die beiden Physiker eine ungewöhnliche Beobachtung:

Ein Teilchen durchflog die Nebelkammer und hinterließ eine Blasenspur, die zwar gekrümmt war, jedoch in die falsche Richtung. Es hätte sein können, dass das Elektron aus der falschen Richtung angeflogen kam. Man kann diesen Fall jedoch ausschließen, da sich in der Kammer eine Bleiplatte befand, die das Elektron abbremste, wodurch der Radius der Bahnkrümmung verkleinert wurde. Diese Krümmung war identisch mit der eines normalen Elektrons. Es war somit belegt, dass es ein "positives Elektron" war, welches seine Spur dort hinterließ. Die Möglichkeit, dass es sich bei diesem Teilchen um ein Proton handelt, konnte ausgeschlossen werden, da ein Proton aufgrund seiner Größe in der Bleiwand stecken geblieben wäre. Somit stand fest, dass es sich um ein positives Elektron, ein Positron, handelte.

Wenn es nun zu Elektronen Gegenteilchen gibt, was ist dann mit all den anderen Teilchen?

Nach Diracs Ideen über die Antimaterie haben alle Teilchen mit dem Spin 1/2 (Fermionen) ein Antiteilchen: Z.B. zu einem Proton das Antiproton.

Man machte Überlegungen, wieviel Energie nötig sei, um ein Antiteilchen zu erzeugen. Nach Dirac wusste man, dass dazu eine Energie von 2 mc2 nötig sei. Bei einem Elektron entspricht dies etwa einer Energie von etwa 1 MeV. Bei einem Proton wären jedoch 2000 MeV nötig, um dieses in ein Antiteilchen, (und in ein Loch) zu verwandeln.

Um diesen Versuch durchzuführen, wurde das Bevatron (Kalifornien) gebaut. Es lieferte eine Energie von 6 GeV. Wenn man nun zwei Teilchen mit dieser Energie beschleunigt, und sie dann aufeinander prallen lässt, so wird genau die benötigte Energie von 2 GeV frei. Nach kurzer Zeit wurden die ersten Antiprotonen nachgewiesen, und somit war belegt, dass es zu jedem Fermion ein Antifermion gab.

Heute hat man die Ersten Schritte im Neuland Antimaterie gewagt und hat erstaunliche Phänomene beobachten können.

Zum Beispiel lässt man Elektronen und Positronen aufeinander prallen (Annihilation). Dabei wird nicht nur die Materie vollständig in Energie umgewandelt, sondern es entstehen auch neue Teilchen, wie Quarks, Leptonen usw. Viele Teilchen, die bei einem solchem "Mini-Urknall" entstehen, konnten aber bisher noch nicht genauer erforscht werden.

Der Gedanke an die Fähigkeiten der Antimaterie hat bereits die Phantasie vieler Science-Fiction Autoren angeregt. Es entstanden gute Gedanken, die einen Fortschritt bedeuten würden, aber es entstanden auch solche, die eine Bedrohung für die Menschheit bedeuten würden.

Auf diese und weitere Fragen möchte ich in meinem zweiten Teil eingehen, der sich mit den Möglichkeiten befasst, die uns die Antimaterie bietet.



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Paul Diracs Löchertheorie besagt, dass Materie- und Antimaterieteilchen immer paarweise entstehen müssen. Daher ist die Vermutung naheliegend, dass, bei der Werdung des Universums, Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden sind. Das könnte wiederum bedeuten, dass es eine große Masse von Antimaterie in unserem Universum gibt, die möglicherweise Galaxien wie die unsrige bildet. Die Idee ist vor allem seit dem Januar 1996 nicht mehr sehr abwegig, als es Forschern bei CERN gelang, ein Antiwasserstoffatom herzustellen. Wenn also ein Antielement existieren konnte, warum nicht alle in einer uns unbekannten Antiwelt? In diesen Antigalaxien könnte es Planeten wie unsere Erde geben, auf denen es Leben wie das der Erde gibt. Mit nur einem Unterschied: Dass für diese Lebensformen unsere Materie Antimaterie wäre. Und so faszinierend auch der Gedanke an ein Treffen mit einem gepeinigten Antiphysikschüler auch klingt, ist davon abzuraten. Schon bevor es zu einem freundschaftlichen Handschlag kommen könnte, würde durch seine Annihilation eine Explosion stattfinden, "die 50.000mal so stark wäre wie die Atombombe von Hiroshima." 1 Mit den schier unerschöpflichen Antimaterievorräten aus der Antiwelt könnten aber vielleicht sogar Antriebstechnologien, wie sie derzeit theoretisch erforscht werden, realisiert werden.

Angespornt von solchen Aussichten machten sich Forscher auf die Suche nach Anzeichen von Welten aus Antimaterie. Da eine Antigalaxie aber rein äußerlich einer normalen Galaxie gleicht, lässt sich vom Aussehen her keinerlei Aussage darüber machen, ob eine Galaxie aus Materie oder Antimaterie besteht. Das liegt daran, dass die von einer Antigalaxie emittierten Lichtquanten (Photonen) keine Fermionen sind und somit keine Antiteilchen besitzen (bzw. mit ihnen identisch sind). So können sie kein Zeugnis davon sein, ob ihre Quelle aus Antimaterie oder Materie besteht. Die Suche nach Antiprotonen war auch nicht aufschlussreich, da alle Antiprotonen, die in der Hochatmosphäre entdeckt wurden, genausogut aus Kollisionen normaler Protonen auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre hätten stammen können. So konnten auch sie keine sicheren Anzeichen größerer Vorräte von Antimaterie im Universum sein. Da jedoch das Plasma um einen Materie-Planeten und das Antiplasma um einen potentiellen Antimaterieplanenten durch permanente gegenseitige Vernichtung eine Strahlung emittieren würde, machten sich die Forscher der Radioastronomie auf die Suche nach einer solchen Strahlung. Sie fanden jedoch im gesamten, für uns sichtbaren Weltallbereich nichts, was als großer Vorrat an Antimaterie interpretiert werden konnte. Das bedeutet immerhin, dass sich in einer Entfernung von einigen Milliarden Lichtjahren (1 Mrd. LJ=1021km) keine Antiplaneten befinden.

Unter den Hochenergiephysikern herrscht Uneinigkeit, ob das Szenario einer "Antiwelt" noch als realistisch zu bewerten ist. Einerseits ließ z.B. NASA-Astrophysiker Floyd Stecker 1996 voller Optimismus verlauten: "Es könnte im Universum ebensoviel Antimaterie wie Materie geben. Eine Antigalaxie sähe genauso aus wie unsere eigene." 2 Die breite Masse meint jedoch, dass "es scheint, dass unsere Art von Materie ganz wesentlich bevorzugt ist." 3 Deshalb gilt es mittlerweile als erwiesen, dass Antimaterie in unserem Universum nicht mehr natürlich vorkommt, sondern nur noch in den großen Teilchenbeschleunigern auf der Erde. Wie kommt es also, dass unsere Materie vorherrschend ist?

Die entscheidende Frage, die man zuerst stellen muss, ist, inwiefern unser Universum ein symmetrisches ist. Denn obwohl vieles auf den ersten Blick recht symmetrisch erscheint, so müssen wir doch immer wieder kleine Störungen in den Symmetrien erkennen, die die Natur hervorbringt. Schauen wir in den Spiegel, sehen wir zwei nicht ganz gleichförmige Gesichtshälften. Jedes Blatt an einem Baum scheint entlang seines Stils symmetrisch zu sein, doch auch hier müssen wir immer wieder kleine Mängel erkennen. Ebenso wie zwei Hälften eines Gesichts oder eines Blattes, wiesen auch die beiden Gegenstücke des Universums, Materie und Antimaterie, eine Asymmetrie auf; soweit die Denkweise der Theoretiker. Die Ursache scheint in einer kleinen Einwirkung ein Hunderttausendstel einer Millionstel Sekunde nach der Entstehung des Universums zu liegen: dem elektroschwachen Phasenübergang. Diesen im Detail zu erklären würde den Umfang dieser Ausarbeitung etwa auf den eines Steven King Romans treiben (und wäre genauso furchteinflößend). In dieser Epoche, die nur etwa ein Millionstel einer Millionstel Sekunde andauerte, fand eine sogenannte direkte CP-Verletzung statt. Sie bewirkte, dass die Reaktion zwischen Protonen und deren Antagonisten, den Antiprotonen, nicht gleichberechtigt (symmetrisch) verlief. Eine solche direkte CP-Verletzung konnte im März 1999 im amerikanischen Fermilab zum ersten Mal künstlich nachgestellt und eindeutig bewiesen werden. Aufgrund der asymmetrischen Reaktion gab es einen Bruchteil - weniger als ein Milliardstel Ð mehr Materie als Antimaterie. Nach der Annihilation beider blieb nur noch der Bruchteil der Materie, der heute unser Universum ausmacht, übrig. Dies kann man sich in etwa so vorstellen: Bestünde die Erdbevölkerung aus genau 6.000.000.001 Menschen, wovon 3.000.000.001 Frauen und 3.000.000.000 Männer wären, so stünde der eine Mann, der zwangsweise Single bliebe, für den Anteil der Materie, der unser heutiges Universum ausmacht. Dieses winzige Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie war also "die Grundlage für die spätere Geburt von Galaxien und Sternen, und schließlich des Lebens und der Menschen." 4

Trotz dieser weit verbreiteten Theorie, die die Schöpfung des Makrokosmos auf eine unscheinbare Asymmetrie im frühen Mikrokosmos zurückführt, haben Forscher die Hoffnung nicht aufgegeben, dass es doch noch natürliche Vorkommnisse von Antimaterie gibt. Damit nun ein für allemal eine sichere Beurteilungsgrundlage geschaffen werden kann, wollen Forscher jetzt gezielt den Weltraum nach geladenen Antiteilchen (Antiprotonen und Antiatomkernen) durchsuchen. Dafür hat der Nobelpreisträger Dr. Samuel Ting das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) entwickelt. Es ist, unter anderem, ein Detektor für natürliche Vorkommnisse von Antimaterie. Das AMS soll ab dem Jahr 2002 drei Jahre lang Daten vom Payload-Deck der Internationalen Raumstation ISS aus sammeln. Ting hofft mit dem Spektrometer auf 100 Millionen "Ereignisse" (Eintritten geladener Teilchen) ein Antiteilchen ausfindig zu machen. Damit die Forscher auf die Ladungen der eintretenden Teilchen schließen können, werden die Flugbahnen und Geschwindigkeiten der Teilchen im Magnetfeld eines riesigen Permanentmagneten gemessen. Es ist sozusagen das Experiment, mit dem Carl David Anderson 1932 das Positron entdeckte, auf den neusten Stand der Technik gebracht. Außerdem wird es sich in der Erdumlaufbahn befinden und so frei von Interferenzen der Erdatmosphäre sein.

Auch wenn nichtmal Dr. Ting vollkommen vom Erfolg seines AMS-Projektes überzeugt ist - einen Erfolg kann niemand ausschließen. Er würde auf jeden Fall revolutionäre Auswirkungen auf die Vorstellungen über die Werdung des Universums nach sich ziehen. Ferner wäre die Annahme, dass Antimaterie in unserem Universum einfach nicht mehr vorkommt, widerlegt; die Existenz von Antiwelten wäre nach wie vor möglich. "Der Nachweis schon eines einzigen Kerns von Anti-Sauerstoff oder Anti-Kohlenstoff würde beweisen, dass es Sterne aus Antimaterie gibt, da diese Elemente nur durch Kernfusion in den Millionen von Grad heißen Zentren von [Anti-] Gestirnen entstehen können." 5 Dies ist auch der von Ting erklärte Grund, das AMS-Projekt zu initiieren. Er will nicht, dass die Physik sich auf die (eventuell falsche) Theorie über die Entstehung des Universums festlegt, die davon ausgeht, dass aufgrund des CP-Effekts einfach keine Antimaterie mehr existiert. Er meint: "Genaue Experimente zerstören die Theorien, und dann denken sich die Theoretiker neue Theorien aus. So schreitet die Physik fort!" Eine positive Rückmeldung des Spektrometers hätte zur Folge, dass die Rolle des CP-Effekts bei der Entstehung des Universums entweder neu überdacht oder gar komplett eliminiert werden müsste. Ting wagt schon jetzt einen solchen Schritt. "Vielleicht gibt es ja auch, so überlegt Samuel Ting, Regionen, in denen sich die CP-Verletzung entgegengesetzt auswirkt und damit zu einer Bevorzugung nicht der Materie, sondern der Antimaterie führt: 'Das Ergebnis wäre ein Kosmos, in denen sich Gebiete aus Materie und Antimaterie abwechseln!'" 6 Das könnte eine Erklärung sein, sollten Antiatomkerne aus den Weiten des Universums in das AMS eintreten. Die Tatsache, dass das AMS-Projekt international von 37 Forschungseinrichtungen unterstützt wird, zeigt die enorme Nachfrage nach der endgültigen Klärung der Frage nach der Existenz von Antiwelten und - zu guter Letzt - den Anfängen des Universums.

Die Aussicht auf die Existenz von Antiwelten ist nach heutiger Überzeugung und Kenntnislage zwar nicht gerade berechtigt. Allerdings muss bedacht werden, dass dieser Teil der Physik noch eine weite, unerforschte Domäne bildet. Alle gültigen Überzeugungen beruhen auf den Annahmen einer kleinen Elite von Hochenergiephysikern und sind mit keinerlei praktischem Beweis verbunden. Erst die kommenden Jahre werden definitive Aufschlüsse darüber erlauben, ob es Antiwelten geben kann - frühestens nachdem das AMS-Projekt erste Ergebnisse liefert.

John Boy



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Fußnoten
1 Röthlein, Dr. Brigitte. Spiegelverkehrte Welt. Auf den Internet-Seiten von "bild der wissenschaft" URL: <http://www.wissenschaft.de/bdw/high/99-12/spiegelverkehrt.html (Archiv-Version vom 12.06.2000)>, Dezember 1999



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Seitdem der Begriff der Antimaterie, und die damit verbundenen Möglichkeiten, sich in der Welt herum gesprochen haben ist es natürlich, dass Autoren und Regisseure diese Ideen aufgreifen, und diese in ihre Handlungen einflechten. Das wohl berümteste Beispiel hierfür sind die Folgen von STAR TREK, in denen sich die Personen hin und her beamen, und dank der Antimaterie-Annihilatiosantriebe interplanetare Raumfahrtmissionen durchführen können.

In wieweit diese Hirngespinste Realität sein können, das will ich in diesem zweiten Teil meines Referates, durchleuchten.

Die extrem hohe Energie, die bei der Materie-Antimaterie-Annihilation frei wird, eröffnet Möglichkeiten in der Raumfahrt, die mit chemischen oder elektrischen Antrieben niemals erreichbar wären.

Hierbei entstehen jedoch einige Probleme, die momentan noch nicht zu überwältigen sind.

Die erste Schwierigkeit ist die Antimaterie selbst, die bei den uns zur Verfügung stehenden Mitteln, nur in sehr geringen Mengen hergestellt werden kann. Um genug Antimaterie zu erzeugen, die morgen für einen Flug zum Mond ausreichen soll, hätte man mit unseren Möglichkeiten bereits zur Zeit der Dinosaurier beginnen müssen.

Also muss man eine andere Antimateriequelle finden. Einige Hoffnungen basieren auf Antimaterie im All, oder sogar ganze Antiwelten. Dort würde man dann hinfliegen, um seine Antimaterie zu holen.

Aber wie soll man dann mit seinem Raumschiff, aus "normaler" Materie, in eine Welt aus Antimaterie fliegen, ohne zu annihilieren (explodieren)? Angenommen wir hätten Antimaterie auf irgendeinem Weg zwischen unsere Finger bekommen, wie sollen wir diese dann in unseren Raumschiffen speichern? Etwa in riesigen Teilchenbeschleuniger ähnlichen Vorrichtungen, die ein Ausmaß von mehreren Kilometern haben?

Um in diesem Bereich vorzustoßen müssen daher noch viele Fragen geklärt werden.

Die enormen Energieen, welche bei der Elektron-Positron-Annihilation frei werden, können jedoch nicht nur für menschenfreundliche Projekte verwandt werden. Zm Beispiel wäre die Zerstörerischewirkung einer Atombombe nichts gegenüber einer Bombe, welche sich die Energie der Annihilation zu Nutzen macht. Es wurden bereits Überlegungen über ein Raketenabfangvorrichtung angestellt, dass mit Hilfe von Positronenstrahlen feindliche Kampfgeschosse zerstören soll, bevor diese ihr Ziel erreichen.

Diese Gedanken über eine Nutzung der Annihilations-Energie sind zum Glück noch Zukunftsmusik, denn ich denke, dass das Gebiet der Antimaterie noch zu unerforscht ist. Es wäre fatal, wenn wir mit unserem begrenzten Wissen, solch ungebändigte Kräfte in unseren Händen halten würden.



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Die Welt komplexer Antimaterie ist in vielen Facetten noch unerforscht. Abgebremste Antiprotonen eröffnen der Atomphysik ein völlig neues Forschungsgebiet: die exakte Vermessung von Antiatomen (Antiwasserstoff). Davon erhoffen sich die Physiker Rückschlüsse auf die fundamentalen Symmetrien bzw. Symmetrieverletzungen zwischen den Naturgesetzen unserer Welt und einer Welt, die aus Antimaterie besteht. Darüber hinaus ermöglicht die neue Anlage FAIR durch Messungen an hochgeladenen Ionen die Überprüfung des Coulomb-Gesetzes in extrem starken elektromagnetischen Feldern. Auch direkt anwendungsrelevante Gebiete, wie die Materialforschung und Biophysik, profitieren von der neuen Anlage.

Die Materie auf unserer Erde ist im Wesentlichen aus Atomen aufgebaut. Atome besitzen einen positiv geladenen Atomkern und negativ geladene Elektronen, die sich in großem Abstand um den Kern bewegen. Ein Atom ist nur ein zehnmillionstel Millimeter groß, der Kern noch zehntausend Mal kleiner! Zwischen Elektron und Kern wirkt die Coulombkraft, die zu den vier fundamentalen Wechselwirkungen gehört, welche die Welt "zusammenhalten": Gravitation, schwache, starke und elektromagnetische Wechselwirkung.

Nur auf den ersten Blick sieht es so aus, als ob sich die Elektronen um den Kern wie Planeten um die Sonne bewegen würden. Bei genauerem Hinsehen sieht man jedoch große Unterschiede: Die Elektronen fliegen nicht auf definierten Kreis- oder Ellipsen-bahnen, sondern halten sich mit gewissen Wahrscheinlichkeiten an verschiedenen Orten im Raum auf. Dies wird durch die Quantentheorie gut erklärt, die die Teilchen nicht als einfache „Massekügelchen“, sondern als so genannte Quantenobjekte beschreibt, die sowohl Eigenschaften von Teilchen als auch von Wellen haben. Aber auch das Vakuum zwischen den Elektronen und dem Kern hat erstaunliche Eigenschaften. Die große Energie des elektromagnetischen Feldes erzeugt Photonen und Elektron-Positron-Paare. Diese Teilchen existieren nur für extrem kurze Zeiträume und werden wieder absorbiert oder vernichten sich gegenseitig. Die virtuellen Teilchen verursachen eine Verschiebung der möglichen Energiezustände der Elektronen, die so genannte Lamb-Verschiebung. Dies wird von der Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung (Quantenelektrodynamik) vorhergesagt. Messungen der Lamb-Verschiebung erlauben eine hochsensitive Überprüfung dieser Theorie, die Grundlage aller gegenwärtigen Beschreibungen der Wechselwirkung im Mikrokosmos ist – von den Elementarteilchen über die Atomkerne, Atome und Photonen bis zu den komplexesten Eigenschaften der Festkörper.

Während die Gültigkeit der Quantenelektrodynamik in niedrig geladenen Systemen ("schwachen Feldern") mit extremer Präzision bestätigt werden konnte, ist dies bei sehr hohen elektromagnetischen Feldern nicht der Fall. Ideales Experimentierfeld ist ein Uran-Atom mit nur einem Elektron. (Dies bezeichnet man als wasserstoffähnlich). Zum einen bietet dieser Kern das höchste im Labor erzeugbare elektromagnetische Feld und damit die größtmögliche Anzahl virtueller Teilchen. Zum anderen erlaubt es die Reduzierung der Elektronenhülle auf nur ein Elektron, die quantisierten Energie-zustände des verbliebenen wasserstoffähnlichen Uran-Ions (91+) unbeeinflusst von anderen Elektronen zu messen. Im direkten Vergleich mit den genauestens bekannten Energiezuständen des Wasserstoffs, der "Mutter" aller Atome, werden dann die quantenelektrodynamischen Effekte der starken Felder besonders deutlich.

An der Anlage der GSI können schon heute diese wasserstoffähnlichen Uran-Ionen hergestellt werden. Dazu werden Uran-Atome mit hohen Geschwindigkeiten durch Folien geschossen, so dass alle 92 Elektronen abgestreift werden. Im Neuen-Experimentier-Speicher-Ring (NESR) werden diese "nackten" Uran-Ionen für längere Zeit auf stationären Bahnen gehalten. Mit speziellen Techniken (Wechselwirkung mit einem Gas- oder Elektronenstrahl) kann dann ein Elektron eingefangen werden. Aus der Analyse der Strahlungsquanten, die beim Übergang in den "Grundzustand" des jetzt wasserstoffähnlichen Uran-Ions emittiert werden, bzw. durch genau definierte Anregung dieses Elektrons mit Laserlicht lassen sich dann die Energieniveaus genau vermessen. An der neuen Anlage werden Uran-Ionen mit höchster Intensität und Energieschärfe zur Verfügung stehen. Es wird dann möglich sein, die Lamb-Verschiebung mit extremer Präzision zu bestimmen und damit die Theorie der fundamentalen elektromagnetischen Wechselwirkung auch im Bereich der stärksten elektromagnetischen Felder viel genauer als bisher zu überprüfen. Kaum eine andere physikalische Theorie konnte bisher und wird in absehbarer Zeit mit einer derartigen Genauigkeit getestet werden.




Röntgenspektrum von Uran-Ionen mit nur einem Elektron (U91+). Das Spektrum wurde aufgenommen am Experimentier-Speicherring, ESR, der GSI in Darmstadt, in dem die Ionen gespeichert und gekühlt werden. Die Linie mit der höchsten Energie (K-RR) stammt vom Übergang eines freien Elektrons direkt in die innerste Schale (K-Schale) und spiegelt somit die totale Bindungsenergie des tiefstgebundenen Elektrons in Uran wider. Die 'Lyman-Linien' (Lyα, Lyβ) gehören zu Übergängen von höheren Schalen in die K-Schale. Mit solchen nahezu untergrundfreien Spektren lässt sich die Quantenelektrodynamik in den schwersten wasserstoff-ähnlichen Ionen sehr genau testen.


Die Erzeugung von Antiprotonenstrahlen an der neuen Anlage FAIR eröffnet für die Atomphysik noch weitere, neue Experimentiermöglichkeiten. Werden die Antiprotonen im NESR abgebremst und anschließend in einer so genannten "Ionenfalle" fast vollständig gestoppt, lassen sich durch den Einfang eines Positrons neutrale Antiwasserstoff-Atome herstellen. Antiwasserstoff-Atome bestehen aus einem Antiproton im Kern und einem Positron (Antielektron) in der Hülle. Das Herausragende an der neuen Anlage wird sein, dass diese Anti-Atome vollständig abgestoppt und wie „herkömmliche“ Wasserstoffatome spektroskopisch untersucht werden können. Dadurch wird es möglich werden, die Eigenschaften von Atomen aus Antimaterie genau zu bestimmen. Das bedeutet, dass zum Beispiel die Anregungsniveaus des Positrons im Antiwasserstoffatom exakt vermessen werden können. Der Vergleich mit denen eines Elektrons in einem Wasserstoffatom wird dann grundlegende Einblicke in die Struktur und Eigenschaften der Antimaterie liefern und damit in die fundamentalen Symmetrien oder Symmetrieverletzungen zwischen "Welt" (Wasserstoffatom) auf der einen und "Antiwelt" (Antiwasserstoffatom) auf der anderen Seite. Vereinfacht gesagt: Wir werden erfahren, ob die Antiwelt sich exakt spiegelbildlich zu unserer Welt verhält, wie es vom "Standardmodell" vorausgesagt wird - oder eben nicht. Zum Beispiel stünde ein Symmetriebruch der grundlegendsten, der "CPT-Symmetrie", im krassen Widerspruch zu diesem Modell und würde unser physikalisches Weltbild revolutionieren. Andererseits wäre dies eine Erklärung dafür, warum kurz nach der Entstehung des Universums ("Urknall") offenbar diese Symmetrie verletzt wurde und (etwas) mehr Materie als Antimaterie entstanden bzw. übrig geblieben ist.

Die elektromagnetische Wechselwirkung von Ionenstrahlen in Materie bildet auch die Grundlage für die Materialforschung und biophysikalische Forschung. Materialforschung untersucht die Wirkung von Ionenstrahlen in Festkörpern. Dies wird heute schon für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel die Herstellung von präzisen Filtern, genutzt. Die biophysikalische Forschung beschäftigt sich mit der Wirkung von Ionenstrahlen in Zellen. Daraus ist an der bestehenden GSI-Anlage eine neuartige, sehr erfolgreiche Krebstherapie mit Ionenstrahlen hervorgegangen. In beiden Bereichen werden die höheren Energien und Intensitäten der Ionenstrahlen neue Untersuchungsmöglichkeiten und damit verbunden neue Anwendungen ermöglichen.


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