Antimaterie

Von Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik der ÖAW

Kommt diese Energie, die bei der Begegnung von Teilchen und Antiteilchen entsteht, aus dem Nichts? Mitnichten! Die von Albert Einstein geschaffene Relativitätstheorie lehrt uns, dass Masse (oder, wenn man will, Materie) und Energie eigentlich ohnehin dasselbe sind und man sie ineinander umrechnen kann, so wie man auch Euro und Schilling gegeneinander umwechseln kann.

Allerdings ist der "Wechselkurs" ziemlich extrem, nicht einmal die Italiener mit dem Umstieg von Lire auf Euro müssen so viele Nullen wegstreichen! Der "Wechselkurs" von Materie und Energie wird nämlich durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit gegeben (die Lichtgeschwindigkeit mit sich selbst multipliziert).

Unheilvolles Szenario



Da das Licht in einer Sekunde 300 Millionen Meter (300 000 km) zurücklegt, müssen wir bei der Umrechnung von Masse in Energie (bei Verwendung der gebräuchlichen Einheiten Kilogramm und Joule) 17 Nullen anhängen! Wir können also sehr froh sein, dass wir im gewöhnlichen Leben nie mit Gegenständen aus Antimaterie zu tun haben.

Diese würden bei der Berührung mit gewöhnlicher Materie nicht nur sofort selbst verschwinden und eine ebensolche Menge Materie vernichten, sondern eine Explosion von solcher Energie verursachen, dass die Explosion einer Atombombe dagegen nur ein schwacher Funke wäre.

Gibt es denn dann überhaupt wirklich Antimaterie?



Vielleicht haben sich die Physiker da geirrt, etwas ausgerechnet, das man dann ja doch nie sieht? Keineswegs! Die Hochenergiephysiker haben Tag für Tag mit Antiteilchen zu tun, erzeugen sie in ihren Beschleunigern, messen sie in ihren Detektoren, sehen zu, wie sich Antiteilchen und Teilchen gegenseitig vernichten, oder wie aus bloßer Energie Teilchen-Antiteilchenpaare entstehen.

Dass niemand sonst etwas von diesen Vorgängen merkt, liegt daran, dass die Elementarteilchen so klein sind, so eine kleine Masse haben, dass selbst dann, wenn man beim Umrechnen in Energie-Einheiten 17 Nullen anhängen muss, sich die Energien noch sehr in Grenzen halten.

Regen von Teilchen und Antiteilchen

Die Erdatmosphäre wird ständig von hochenergetischen Teilchen aus dem Weltraum getroffen. Beim Zusammenstoß mit den Atomen der Luft entstehen sekundäre Teilchen und Antiteilchen


"Hochenergiephysik" ist also so zu verstehen, dass die untersuchten Teilchen im Vergleich zu ihrer Masse sehr hohe Energien haben, ihre gesamte Bewegungsenergie ist aber doch verschwindend gering im Vergleich zur Bewegungsenergie etwa eines Autos oder Fahrrades.

Die Antiteilchen werden auch nicht nur künstlich erzeugt, sie entstehen ständig bei Kollisionen hochenergetischer Teilchen aus dem Weltraum (der sogenannten kosmischen Strahlung, siehe Abbildung) mit den Atomen der Erdatmosphäre, und viele von diesen erreichen dann auch die Erdoberfläche, um dann aber alsbald zu zerfallen und mit gewöhnlicher Materie zu "zerstrahlen".

Wir stehen also ständig in einem Regen von Teilchen und Antiteilchen, der allerdings glücklicherweise so schwach ist, dass wir ohne spezielle Detektoren nichts davon bemerken.



Was wissen wir von den Antiteilchen?
Tatsächlich wurden die Antiteilchen zuerst vorausgesagt (1930, von Physik-Nobelpreisträger Paul Dirac) und erst dann experimentell gemessen (1932 wurden erstmals "Positronen", die Antiteilchen der Elektronen, gesichtet). Und die theoretischen Berechnungen lehren uns noch etwas anderes: beim so genannten Urknall entstanden vorerst genauso viele Antiteilchen wie Teilchen!

Warum? Jeder kennt den Spruch: Aus nichts wird nichts! Die Welt ist aber gar nicht aus dem Nichts entstanden, sondern aus reiner Energie. Nun kann sich aber Energie nicht einfach in Materie verwandeln, sondern nur in Paare von Teilchen und Antiteilchen (also Materie und eine entsprechende Menge Antimaterie).



Summe aller Quantenzahlen darf sich nicht ändern



Auch das kann man wieder ein bisschen mit der Geldwirtschaft vergleichen. Man kann nicht einfach Geld "erzeugen" (außer man betreibt eine inflationäre Politik). Wenn aber die Sparer ihr Geld auf die Bank tragen, können die Firmen dieses Geld in Form von Krediten bekommen. Die Summe der Spareinlagen muss immer der Summe aller Kredite (plus Rücklagen der Bank) entsprechen.

Die Physiker drücken das so aus: alle Teilchen haben so genannte "Quantenzahlen", und die Summe aller Quantenzahlen darf sich nicht ändern. So hat zum Beispiel ein Proton die "Baryonzahl" +1 (plus eins), und ein Antiproton die Baryonzahl -1 (minus eins). Wenn vorher in der Welt die Summe aller Baryonzahlen Null war, so kann ich ein Proton-Antiprotonpaar erzeugen, und die Summe (1-1) ist noch immer Null.

"Ewige" Naturgesetze



Aber was heißt hier "darf", wer "verbietet" denn, dass sich die Summe ändert? Kommt da die Teilchenpolizei und gibt dem Proton ein Strafmandat? Natürlich nicht, gemeint ist hier vielmehr, dass man das einfach nie beobachtet hat, es ist also eine Erfahrungstatsache, die als "Verbot" formuliert wird.

Und da wir annehmen, dass beim Urknall die Naturgesetze dieselben waren wie heute (sonst könnten wir ja gar keine Aussagen darüber machen), erwarten wir auf Grund unserer heutigen Erfahrung bei physikalischen Experimenten, dass damals genauso viel Materie wie Antimaterie entstanden sein muss.




Der Urknall
Astronomen, Kosmologen und Physiker haben gemeinsam ein ziemlich genaues Bild davon erarbeitet, wie unsere Welt entstanden ist. Vor gut 10 Milliarden Jahren war das Weltall nur so groß wie ein Punkt (eine "Singularität", wie man dies wissenschaftlich bezeichnet, ein Objekt ohne irgendeine Ausdehnung - was wir uns natürlich auch kaum vorstellen können), und wir wissen nicht, was vorher war, ja viele bestreiten, dass es überhaupt Sinn hat, nach dem "Vorher" zu fragen, denn zu jenem Zeitpunkt entstanden auch Raum und Zeit selber.

Tatsache ist wohl, dass es damals eine Art Explosion gab, der Punkt begann, sich sehr schnell auszudehnen. Diese Ausdehnung findet noch immer statt und wird nach neuesten Erkenntnissen vermutlich bis in alle Ewigkeit weiter dauern. (Augenfälliges Anzeichen dafür ist die sogenannte "Rotverschiebung" ferner Galaxien: durch den so genannten Doppler-Effekt erscheint deren Licht zu längeren Wellenlängen, ins Rote, verschoben.)

Beim Urknall entstanden Teilchen und Antiteilchen, viele sind bald wieder verschwunden, haben sich gegenseitig vernichtet oder sind zerfallen, und unsere heutige Welt mit allen Sternen, Galaxien, Planeten, Apfelbäumen und Autos besteht aus den Teilchen, die bis heute überlebt haben.
Bild "The Big Bang" in voller Größe



Aber - wieso sind wir dann überhaupt hier?

Der Raum zwischen den Sternen ist keineswegs völlig leer, sondern enthält an vielen Stellen Gasnebel, wie hier den berühmten Adler-Nebel, und andere Formen sogenannter "dunkler Materie".


Wieso haben sich nicht gleich nach dem Urknall alle Teilchen mit ihren Antiteilchen gegenseitig vernichtet? Nun, man könnte sich denken, dass die Teilchen beim Urknall so rasch auseinander flogen, dass sie einfach keine Zeit hatten, das entsprechende Antiteilchen zu finden. Natürlich, dort wo sich später Materie zusammengeballt hat, in den Sternen, ist es verständlich, dass nur jeweils Materie oder Antimaterie überbleiben konnte, der Rest musste wohl zerstrahlen.

Wir, unsere Erde, die anderen Planeten und die Sonne bestehen aus Materie. Sind vielleicht andere Sonnensysteme in unserer Nachbarschaft aus Antimaterie aufgebaut? Soviel wir wissen, nein, in unserer ganzen Milchstraße gibt es praktisch keine Antimaterie. Das könnte man sich dadurch erklären, dass die verschiedenen Sonnensysteme und die "interstellare Materie" einander zu oft begegnen und dass daher etwaige Antimaterie-Sonnen schon zerstrahlt sind.

Bestehen alle Galaxien aus Materie?



Aber andere Galaxien könnten doch wohl aus Antimaterie bestehen? Müssen künftige Raumreisende also da recht vorsichtig sein, bevor sie in einer anderen Galaxie landen? (Immerhin haben sie auf der Reise dorthin ja einige Millionen Jahre Zeit, sich das gut zu überlegen!) Soviel wir wissen, bestehen aber auch alle anderen Galaxien aus Materie und nicht aus Antimaterie.

Dafür gibt es viele Hinweise, unter anderem sucht man in der kosmischen Strahlung nach "primären Antiteilchen", also Antiteilchen, die aus dem Kosmos kommen und nicht bei Zusammenstößen in der Atmosphäre entstanden sind, und bis jetzt wurden keine solchen aus den Tiefen des Weltalls stammende Antiteilchen gefunden.

Der Gastbeitrag von Manfred Jeitler für science.ORF.at ist in zwei Teilen erschienen: Materie und Antimaterie, Teil 2

Reproduktion der Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des CERN.



Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik der ÖAW
Mitarbeiter am Experiment: NA48, CERN (Genf)
Institut für Hochenergiephysik, ÖAW






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speedmaster89 | 25.10, 15:23
????
ich finde den bericht nicht besonders gut, da wichtige fachbegriffe zum thema antimaterie, wie zb annihilation usw nicht erklärt weden

bobaphat1 | 09.07, 20:39
Süßer Bericht :)
"Teilchenphys ik für Leute, die sich sonst immer alles vom Mascherl-Schüssel erklärt haben lassen" :) Na ernsthaft ich find's gut, wenn sich Menschen, die sonst nie wissenschaftliche Arbeiten lesen das durchlesen, verstehn sie wenigstens mal was!

naservuskaiser | 08.07, 19:32
an manfred jeitler
sehr gut geschriebener beitrag! gratulation, wirklich toll. sie versuchen auf durchaus humorvolle und verständliche weise diese komplizierten dinge verständlich zu machen.

oberlindner | 09.07, 15:48
leider voller Fehler
und je mehr verständlich umso fehlerhafter ist dieser Bericht.
Einfach zum Vergessen.

rainium | 08.07, 19:14
Das Bild ist nicht der Orionnebel
sondern ein Teil von M16 - Adlernebel - übrigens jetzt im Sommer sehr schön im Süden mit dem Feldstecher zu sehen.

luipa | 08.07, 13:22
Die Vergleiche mit der
Bankwirtschaft sind total falsch und beruhen auf mittelalterlichen Vorstellungen . Im 21 Jahrhundert leben alle von der Kreditwirtschaft und die Einlagen der Sparer entsprechen nicht mehr als ein paar Prozente des Kreditvolumen. Hoffe der Rest des Berichts enthält nicht mehr solche gravierende Fehler.

paceyforni | 08.07, 13:01
Meterie hin Antimaterie her
Also mal für die ganz dummen (Mich zum Beispiel) !
Kann mir mal einer erklären...

1.)Wie machen die Wissenschaftler in ihren Labors Antimaterie ?

2.)Wie soll sich das Universum in "nur" 10 Milliarden Jahren, so entwickelt haben ? Schließlich muß ja die Zeit langsamer vergangen sein, als heute. Heißt das nicht dass es mehr als 10 Milliarden Jahre waren ?

3.)Wenn die Zeit früher langsamer vergangen ist und sich das Universum immer ausdehnt, heißt das nicht, dass die Zeit immer schneller werden würde ?

4.)Ist Zeit nicht eine Erfindung des Menschens ?!!?

ringtone | 08.07, 13:40
antwortversuche...
bin kein physiker, aber ich versuchs mal... bitte sagen, wenn ich großen blödsinn verzapft haben sollte.
1.) wie ich das verstanden habe, geht das so: sehr hohe energien erzeugen, und früher oder später machts plopp und wir haben ein materie-antimaterie-pärchen. dann mußt du die beiden trennen - fertig.

2-3.) wurscht, wie schnell die zeit vergeht, du würdest den unterschied nicht merken. is ist ja nicht so, daß dann der tag plötzlich 25 stunden hat, weil die uhren (und alles andere) auch langsamer gehen. ein vergleich: würde plötzlich alles, aber auch wirklich alles um die hälfte kleiner werden - würde sich für dich nix verändern.

4.) nein, zeit ist keine erfindung des menschen. ausdehnungen in den raumdimensionen sind ja auch keine erfindungen des menschen. möglichkeiten, diese zu messen, die passenden geräte und einheiten dazu - ja, das sind erfindungen des menschen.

shushannah | 08.07, 18:33
Die eigentliche Zeit ist die Gegenwart. Durch die Fähigkeit, uns an Geschehnisse zu erinnern, die nicht jetzt passieren, erkannten wir die Vergangenheit und vermuteten eine Zukunft.
Die Zeit zu messen ist Erfindung des Menschen. Er misst sie nach Abläufen von Gestirnen oder der Frequenz von Wellen. Das ist aber unexakt. So gibt es Theorien, dass Karl der Große in Wirklichkeit Karl der Fiktive genannt werden müsste. Es habe ihn und seine Zeit nie gegeben und wir dürften eigentlich erst das 18. Jhdt. schreiben.

Exakter ist unser subjektives Empfinden und darin vergeht sie relativ schnell oder langsam. Jedenfalls quälen uns die Uhren und zwingen uns eine künstliche Zeit auf.

pellegrino | 08.07, 11:40
Frage an den Autor ...
.. gibt es wo Überlegungen, wie die Zeit wenige Augenblicke nach dem Urknall ausgesehen hat ? Wenn so viel Materie so konzentriert beinander ist, verhält sich doch lt. Einstein auch die Zeit völlig anders. War zum Zeitpunkt des Urknalls auch eine Zeit-Singularität da ? Wurden da nicht Picosekunden zu Ewigkeiten ?

saltoffice | 08.07, 11:20
Schlagzeile umformulieren!
Liebes ORF Team. Seid so gut und formuliert die Schlagzeile dieses Beitrages in der Übersichtsseite um, da sie den Leser in die Irre führt
Tauscht das Wort Erde gegen das Wort Universum aus. Denn die Erde entstand erst ca. 10 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Und was gleich wieder verschwinden hätte können, wäre nur das damals frischgeborene Universum gewesen.

meierei | 08.07, 11:42
saltoffice
Materie, Materie wäre verschwunden und nicht das Universum!

luipa | 08.07, 13:32
ja ja lauter
Fehler in diesem Bericht - am besten ersatzlos streichen.


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Besser man wartet bis sie es selber tun.

Das europäische Kernforschungszentrum CERN will die Antwort auf die CP-Verletzung, eines der subtilsten Geheimnisse der Natur, gefunden haben
Am europäischen Kernforschungszentrum CERN konnten Wissenschaftler definitiv nachweisen, dass die CP-Verletzung (Charge Parity) existiert. In einem Experiment wurde präzise der genaue Umfang des Phänomens gemessen. Das Experiment NA48 findet am Europäischen Teilchenbeschleuniger in Genf statt und hat sich die genaue Messung der so genannten direkten CP-Verletzung, und damit die Erforschung der Antimaterie zum Ziel gesetzt.


Im Anfang war Materie und Anti-Materie, der Urknall brachte sie in gleicher Zahl hervor. Es gab genauso viel Materie-Teilchen wie Antimaterie-Teilchen und wenn sie sich berührten, wurden sie augenblicklich zu reiner Energie. Aber das Universum wurde nicht wieder vollständig zu Energie, die Materie setzte sich durch, Galaxien und Sternensysteme entstanden. Obwohl jedes Elementarteilchen eigentlich einen Zwilling mit entgegengesetzter Ladung hat, das positiv geladene Proton den negativen Antiproton, das negativ geladene Elektron den Positron, ist heute im Universum keine Antimaterie mehr vorhanden. Nur in den Teilchenbeschleunigern der Physiker wie im CERN werden Antiteilchen erschaffen, um sie zu erforschen (Auf der Spur der Antimaterie).


CERN, NA48

Die meiste Materie, die während des Urknalls explodierte, kollidierte mit Antimaterie und wurde zu Energie, aber ein Teil blieb und formte das, was wir heute Universum nennen. Es muss also im Anfang eine Asymmetrie gegeben haben. Ein subtiles Phänomen, das die Materie über die Antimaterie triumphieren ließ. Dieser bisher geheimnisvolle Effekt ist die CP-Verletzung. CP steht für Charge Parity, also Ladungskonjugation und Parität. Die Ladung (Charge) von Teilchen und Antiteilchen ist gegensätzlich, aber gleich groß. Parität steht für die Spiegelsymmetrie, d.h. ein Prozess und sein Spiegelbild sind gleich wahrscheinlich. Während C und P für sich keine universell gültigen Symmetrien darstellen, schien die Kombination CP zu funktionieren. Lange wurde davon ausgegangen, CP sei eine von allen Wechselwirkungen respektierte Symmetrie, aber das erwies sich als Trugschluss.

In der Physik sind Symmetrien gegenüber Verschiebungen in Raum und Zeit, Drehungen, Spiegelungen oder gegenüber Geschwindigkeitsänderungen für die fundamentalen Naturgesetze besonders wichtig. 1964 entdeckten aber die amerikanischen Physiker Christenson, Cronin, Fitch und Turlay an einem Beschleuniger eine winzige Unregelmäßigkeit beim Zerfall eines exotischen instabilen Teilchens, des K-Mesons. Teilchen und Antiteilchen zerfielen nicht in identischer Weise, sondern auf messbar unterschiedliche Art. Materie und Antimaterie verhielten sich nicht symmetrisch. K-Mesonen (Kaonen) sind eine instabile Mischung aus Materie und Antimaterie, sie existieren nur in Neutronensternen und in Teilchenbeschleunigern.

Darauf folgende Experimente zeigten: Beim Zerfall von neutralen K-Mesonen kommt es in etwa einem Promille aller Fälle zu einer Verletzung der CP-Symmetrie. Die CP-Verletzung wird von den meisten Physikern als schwache Wechselwirkung gedeutet.

Nach 10 Jahren, in denen die Detektoren entwickelt, Daten gesammelt und analysiert wurden, ist das Experiment NA48 am CERN nun so weit, die Resultate der Beobachtung von 20 Millionen CP-Verletzungen bei Zerfall von neutralen K-Mesonen bekannt zu geben. Der feine Unterschied in der Zerfallsrate der Keonen und ihrer Antiteilchen konnte mit einer Genauigkeit von eins zu einer Million festgestellt werden.



CERN, NA48


Vorgänger-Experimente wie die NA31-Versuche am CERN und ähnliche am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den USA waren nicht präzise genug gewesen, um die CP-Verletzung als realen Effekt nachweisen zu können. Das leistet jetzt die umfangreiche Datensammlung von NA48.

Die Natur ist – warum auch immer – so genannt schwach linkshändig und begünstigt Materie vor Antimaterie. Durch die schwache Symmetrie-Verletzung wurde die Materie bevorzugt und Masse konnte sich zusammenballen, um nach dem Big-Bang aus Nebeln schließlich Sterne und Planeten entstehen lassen zu können. Auch unsere Sonne, die Erde und nicht zuletzt wir selbst verdanken der CP-Verletzung die Existenz, denn sie bewirkt die Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie.


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Im Jahr 1928 versuchte Paul Dirac das Verhalten von Elektronen mit Hilfe der speziellen Relativitätstheorie zu beschreiben, die neuen Gleichungen funktionierten außerordentlich gut aber es tauchten plötzlich Elektronen mit negativer Energie auf. Dirac füllte diese Energien in seiner Interpretation der Ergebnisse mit Elektronen auf und schuf so den nach ihm benannten Dirac-See. Jetzt stellte sich aber die Frage, was passiert, wenn man ein Elektron mit negativer Energie entfernte, das entstehende Loch müsste sich eigentlich genauso verhalten wie ein Teilchen mit entgegengesetzter Ladung - wie ein Anti-Elektron.

Experimentell konnte dieses neue Teilchen 1932 von Carl Anderson beobachtet werden. Wie vorhergesagt hatte es eine positive Ladung und bekam deshalb den Namen Positron. In den folgenden Jahren wurden in Teilchenbeschleunigern weitere Antiteilchen hergestellt, und 1995 entstand aus einem Positron und einem Anti-Proton das erste Anti-Wasserstoffatom.

Diese Antiteilchen haben aber nur eine sehr kurze Lebensdauer, da sie mit ihren Gegenstücken sehr schnell wieder zu reiner Energie zerstrahlen. Neuerdings versucht man die Anti-Atome in Magnetfeldern zu fangen und längere Zeit zu speichern. Die produzierten Mengen sind aber noch nicht sehr groß, sie liegen im Bereich von wenigen Nanogramm.

Aber nicht nur geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen haben Antiteilchen, auch ungeladene wie zum Beispiel Neutronen besitzen Gegenstücke, die sich dann nicht in der Ladung, sondern im Eigendrehimpuls bzw. Spin - eine quantenmechanische Eigenschaft - unterscheiden.

Abgesehen davon gibt es aber keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, physikalisch macht es keinen Unterschied ob man das eine oder das andere beschreibt.

Jedes Teilchen hat sein Antiteilchen, mit dem es - falls sie sich mal treffen sollten - zu reiner Energie zerstrahlt. Zu Beginn des Universums, hätte sich eigentlich gleich viel Materie und Antimaterie bilden sollen, als es nach dem Urknall schließlich kalt genug war, um die Kondensation von Energie zu Materie - und Antimaterie - zuzulassen.

Seltsamerweise kam Materie aber ein kleines bisschen häufiger vor als Antimaterie. Ob das für das ganze Weltall gilt, oder ob es ebenso große Abschnitte gibt, die aus Antimaterie bestehen ist noch nicht letztendlich geklärt. Aber zumindest soweit die Teleskope schauen können, scheint das Universum ausschließlich aus Materie zu bestehen.

Hinweise auf Antimaterie würde die charakteristische Energie liefern, die bei der Paarvernichtung als Strahlung frei wird. Bei einer Elektron-Positron Vernichtung sind das zwei mal 511keV die von zwei Photonen in jeweils entgegengesetzte Richtungen davongetragen wird - diese Energie ist nach E=mc2 äquivalent zur Masse der beteiligten Teilchen und zwei Photonen sind nötig, um Impuls- und Drehimpulserhaltung sicherzustellen. Diese Strahlung konnte aber nicht in der Höhe nachgewiesen werden, die auf größere Antimateriehaufen hinweisen würde.

Es war also die Frage zu klären, warum dieses Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie zustande kommen konnte. Die Spekulationen gingen deshalb in die Richtung, dass es doch einen kleinen Unterschied geben muss - man nennt das in der Physik eine Asymmetrie oder Symmetriebrechung - die erklärt, warum so wenig Antimaterie zu finden ist.

Die Symmetriebrechung müsste dafür gesorgt haben, dass beim Urknall für alle 100 Millionen Teilchen und Antiteilchen ein zusätzliches Teilchen entstanden sein muss.

Man kennt Asymmetrien schon seit 1956 von radioaktiven Zerfallsprozessen, ist bei diesen die Schwache Wechselwirkung für den Zerfall verantwortlich, so kommt es zu einer Verletzung der Parität oder Händigkeit - unsere rechte und linke Hand gleichen sich auch und unterscheiden sich nur durch ihre Parität.

In diesem Experiment, das am National Bureau of Standards in den USA durchgeführt wurde, beobachtete man den Zerfall von Kobalt zu Nickel. Im Kobalt zerfällt dabei ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Neutrino. Bei einer Temperatur von 0,003 Kelvin wurden die Kernspins in einem starken Magnetfeld ausgerichtet - den Kernspin kann man sich wie einen winzigen rotierenden Magneten vorstellen, der auf ein äußeres Magnetfeld reagiert.

Die beim Zerfall vom Kobalt ausgesendeten Elektronen bezeichnet man als Beta-Strahlung. Man erwartet also, dass die Beta-Strahlung in gleicher Intensität in Richtung und Gegenrichtung des Kernspins nachgewiesen wird. Da Elektronen auch einen Spin haben, der nur diskrete Werte wie ½ oder -½ annehmen kann, sollte es keinen Unterschied machen in welche Richtung die Kernspins ausgerichtet sind - das Anti-Neutrino muss ebenfalls einen halben Kernspin mitnehmen, da das ursprüngliche Neutron einen ganzzahligen Kernspin hatte, der in der Summe erhalten bleiben muss.

Man fand allerdings, dass mehr Beta-Strahlung in Gegenrichtung zum Kernspin registriert wurde, es liegt also eine Händigkeit oder Parität des Beta-Zerfalls vor.

Man ging also davon aus, dass die Ladungs-Paritätssymmetrie als Kombination erhalten bleiben muss, wenn das schon für jede einzelne Symmetrie nicht mehr zutraf. Doch auch diese Symmetrie hatte keinen Bestand.

Weitere Zerfallsexperimente an K-Mesonen von James Cronin und Val Fitch 1964 zeigten aber, dass auch die Ladungs-Paritätssymmetrie in seltenen Fällen - einem von 500 - gebrochen wird. Andrei Sakharov stellte daraufhin erstmals fest, dass diese Symmetriebrechung für die Materie-Antimaterie-Verteiung verantwortlich sein könnte.

Durch Zerfallsprozesse an Teilchen und Antiteilchen versucht man diesen Symetriebrechungen auf die Spur zu kommen. Die in Teilchenbeschleunigern am SLAC in Stanford, USA und in Tsukuba, Japan hergestellten B-Mesonen und Anti-B-Mesonen zerfallen zwar nach wenigen milliardstel Sekunden wieder in andere Teilchen aber diese Teilchen werden in riesigen Detektoren registriert und lassen Rückschlüsse auf die ursprünglichen Reaktionen zu.

Im BaBar-Detektor am SLAC z.B. wurden seit seiner Inbetriebnahme 1999 88 Millionen Paare dieser Teilchen nachgewiesen und es konnte gezeigt werden, dass es tatsächlich einen Unterschied zwischen B-Mesonen und Anti-B-Mesonen gibt. Den Grad dieser Asymmetrie bezeichnet man als sinus2Beta und er weicht deutlich von Null ab. Das beweist, dass eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie nachgewiesen werden kann. Leider ist sinus2Beta nicht groß genug, um die Abwesenheit der Antimaterie vollständig erklären zu können, es sind also noch weitere Experimente nötig.

Die Ursache der nachgewiesenen Symmetriebrechungen könnten Vertauschungen von Quarks sein, aus denen Materie und Antimaterie aufgebaut sind. Als das 1972 von M. Kobayashi and T. Maskawa vorgeschlagen wurde stand man der Theorie skeptisch gegenüber, weil sie gleich drei zusätzliche Quarks erforderte, man aber nur drei kannte. Inzwischen sind alle sechs Quarks nachgewiesen und Quark-Mixing ist Teil des Standard-Modells geworden.

Nach all diesen Experimenten und gebrochenen Symmetrien geht man heute davon aus, dass die Kombination aus Parität, Ladung und Zeit zusammen eine Symmetrie ergibt (engl.: CPT-Symmetry, Charge, Parity, Time Reversal). Das heißt, wird die Ladungs-Paritäts-Symmetrie verletzt, dann muss auch die Zeitsymmetrie gebrochen werden, damit sich die Verletzungen gegenseitig wieder aufheben und die übergeordnete Symmetrie erhalten bleibt.

Unter Zeitsymmetrie versteht man den Ablauf der Zeit, würde hier Symmetrie vorliegen könnte sie genausogut rückwärts wie vorwärts laufen, das ist nach den Ergebnissen der bisherigen Experimente jedoch nicht der Fall. Man muss deshalb davon ausgehen, dass die Zeitsymmetrie ebenfalls gebrochen ist, was zu einer ausgezeichneten Zeitrichtung führt - d.h. der Zeitpfeil zeigt in Richtung Zukunft.

Die aktuellen physikalischen Modelle müssen deshalb, auf Grund der Ungleichheit von Materie und Antimaterie, davon ausgehen, dass Zeitreisen auf quantenmechanischer Ebene ausgeschlossen sind - relativistische Effekte, wie z.B. rotierende schwarze Löcher, schließt das aber nicht aus.

Bisher haben die Physiker in ihren Experimenten noch keinen Hinweis auf eine Verletzung dieser übergeordneten Symmetrie gefunden.



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Besser man wartet bis sie es selber tun.

22. Dezember 2004, Ingo Froeschmann. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat von der Antarktis aus, ein Instrument an Bord eines Ballons in eine große Höhe transportiert, um dort nach Antimaterie zu suchen, die zu den seltensten und flüchtigsten Arten von Teilchen im Universum zählt.




(Quelle: NASA)
Das Team ist auf der Suche nach einem Verständnis des Ursprungs von kosmischer Antimaterie und nach Beweisen für die Existenz von "Hawking-Strahlung", die von "verdampfenden" schwarzen Löchern stammt, eine Theorie, die von Prof. Stephen Hawking von der Cambridge University in England, vorgeschlagen wurde.

Das Instrument, genannt BESS-Polar, wurde am 13. Dezember erfolgreich von der McMurdo Station in der Antarktis mit einem 13 Millionen Kubikmeter fassenden Wissenschaftsballon gestartet. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, die Antimaterie, wie sie von Hawking vorhergesagt wurde, zu finden, hoffen die Wissenschaftler auf einen mindestens 10 Tage andauernden Flug, einmal um den Südpol, in einer Umgebung nahe dem All, oberhalb 99% der Atmosphäre. Das Instrument umkreist den Pol derzeit bei einer durchschnittlichen Höhe von 39 Kilometern.

"Unsere früheren und kürzeren Flüge vom nördlichen Kanada aus haben Hinweise auf die Signatur der Hawking-Strahlung geliefert," sagt Prof. Akira Yamamoto von Japan's High Energy Accelerator Research Organization (KEK). "Durch einen längeren Flug und eine größere "Ernte" von Antiprotonen, sind wir vielleicht in der Lage zu zeigen, dass Prof. Hawking Recht hat."

BESS-Polar ist eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern am KEK, der University of Tokyo, Kobe University und dem Institute of Space and Astronautical Science von der Japan Aerospace Exploration Agency, zusammen mit der NASA und der University of Maryland. BESS steht für Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer.

Antimaterie besteht aus Teilchen mit gleichen, aber entgegengesetzten Eigenschaften der Teilchen, mit denen wir jeden Tag interagieren. Zum Beispiel haben Protonen eine positive Ladung, aber Antiprotonen haben eine negative Ladung. Antiprotonen, die im All produziert wurden, bombardieren die Erde in Form von kosmischer Strahlung, also Elementarteilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit reisen. Wenn Materie mit Antimaterie kollidiert, vernichten sie sich gegenseitig und produzieren dabei reine Energie und keine "Asche".

Die grundlegendste Form der Urknall-Theorie sagt voraus, dass gleiche Mengen Materie und Antimaterie erzeugt wurden. Irgendwie dominierte die Materie die Antimaterie in den ersten Augenblicken nach dem Urknall. Eines der Ziele des BESS-Polar Projekts ist es nachzuschauen, ob es Hinweise auf Antimaterie-Gebiete gibt, die vom Urknall übriggeblieben sind. Die scheinbare Materie-Antimaterie Asymmetrie ist ein fundamentales Rätsel der Elementarteilchenphysik und auch der Astronomie.

Die Untersuchung der Antiprotonen mit niedriger Energie ist dabei besonders aufregend, sagt Yamamoto, weil sie vielleicht durch "verdampfende" schwarze Löcher erzeugt wurden, einem Prozess genannt Hawking-Strahlung, der bisher noch nicht in der Natur beobachtet wurde. Diese würden von frühzeitlichen, mikroskopisch kleinen schwarzen Löchern stammen, die kurz nach dem Urknall gebildet wurden. Das Auffinden von Antiprotonen in einer Menge und einem Energiebereich, der durch die Theorie vorhergesagt wurde, würde als ein zwingender Beweis dienen.

"Die Nord- und Südpolargebiete sind die besten Regionen um niederenergetische Antiprotonen einzufangen," sagt Dr. John Mitchell vom NASA Goddard Space Flight Center. "Das Erdmagnetfeld schützt uns vor Antiprotonen und anderen kosmischen Partikeln aus der Strahlung des Alls. Das Magnetfeld leitet geladene Teilchen zu den Polen ab, so dass die Konzentration von niedrig-energetischen kosmischen Teilchen, die in die Erdatmosphäre eintreten, dort größer ist."

Dies ist der erste Flug für BESS-Polar. Wissenschaftler haben eine frühere Version, genannt BESS, für Flüge von einem Tag im nördlichen Kanada eingesetzt und dies jedes Jahr einmal, von 1993 bis 2002. Das Instrument sammelte Millionen von kosmischen Strahlen und einige Tausend niedrig-Energie Antiprotonen. Für eine bessere Analyse werden allerdings mehr benötigt.

"Wir sind zum Boden der Welt gereist um einen schönen, langen Flug durchführen zu können," sagt Projektleiter Prof. Tetsuya Yoshida vom KEK. "Längere Flüge bedeuten bessere Statistiken."

Konstantes Tageslicht in der Antarktis bedeutet, dass keine Tag-Nacht Temperaturschwankungen auf den Ballon wirken, was dabei hilfreich ist, den Ballon länger auf einer bestimmten Höhe zu halten. Das BESS-Polar Team hofft darauf, genügend Antiprotonen einzufangen, um ihre absolute Intensität zu charakterisieren.


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

Die Antimaterie ist eine Gegenwelt zu unserer bekannten Welt aus Atomen etc. Antimaterie verhält sich absolut gleich wie normale (Koino-)Materie, wenn aber Kontakt zwischen den beiden Welten stattfindet, findet eine Annihilation (Zerstrahlung) statt, beide werden vollständig in Energie umgewandelt. Die Antimaterie ist gegenüber der sogenannten Koino-Materie absolut symmetrisch aufgebaut:


Zu beachten ist, dass nur Fermionen (massetragende Teilchen, Spin 1/2) Antiteilchen haben. Energieteilchen wie zum Beispiel Photonen stellen ihre eigenen Antiteilchen dar. Antiteilchen besitzen die gleiche Masse und die gleiche Eigendrehung (Spin) wie ihre Gegenstücke aus der normalen Welt, haben die gleiche elektrische Ladung, die jedoch unter dem anderen Vorzeichen erscheint (z.b. -5 statt 5). Gleich wie bei der elektrischen Ladung verhält es sich beim magnetischen Moment.

Das Photon ist sein Antiteilchen, weil aus einem Positron und einem Elektron zwei Photonen entstehen - jeder (Zerstrahlungs-)Vorgang ist umkehrbar. Einstein machte es in seiner Relativitätstheorie möglich, dass Masse in Energie verwandelt werden kann und umgekehrt.

Die Existenz der Antimaterie wurde 1898 von einem deutschen Wissenschafter für möglich gehalten. 1928 versuchte der Engländer Paul Dirac, die Quantentheorie mit der Relativitätstheorie in Einklang zu bringen. Weil die Relativitätstheorie für die Energie eine Quadratwurzel ergibt, ist es theoretisch möglich, dass ein Teilchen eine negative Energie hat - die Antimaterie wurde geboren. In den 30er Jahren wurde in einer Nebelkammer das Positron entdeckt.

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Was hat Antimaterie mit dem Urknall zu tun?
Robert W. Wilson und Arno A. Penzias entdeckten 1965 während ihrer Arbeit eine rätselhafte Strahlung, die ein Objekt mit der Temperatur von 3 (genauer: 2,7) K verriet. Das Problem war nur: das Objekt war überall, egal, an welche Stelle des Himmels man die Antenne richtete. Man kam auf den Gedanken, es sei eine Strahlung, die eine Annihilation verrät. 1929 erkannte Hubble, dass sich jedes Objekt im Universum von jedem anderen entfernt - könnte der Emittent dieser rätselhaften Strahlung die „Hülle" des Universums sein, die sich weiter expandiert? Eine Annihilation lässt sich mit Funkantennen nicht registrieren, die Gammastrahlung, die bei einer Annihilation entsteht, auch nicht. Die „Hülle" musste sich also expandieren, weil die Gammastrahlung durch die Rot-Verschiebung (bedingt durch das Entfernen der „Hülle") als Mikrowellen-Strahlung bei der Antenne ankam. Es kann deshalb sein, dass eine Annihilation dem Urknall seine gewaltige Energie gegeben hat.

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Wieso gibt es so wenig Antimaterie?
Weil Antimaterie beim Kontakt mit Koino-Materie augenblicklich zu Gammastrahlung verwandelt wird. Im Weltraum könnte Antimaterie auch nicht lange existieren: Man nimmt an, dass ein Positron alle zehn Milliarden Kilometer auf ein Elektron stossen würde.

Die Frage lässt sich auch anders beantworten: Wieso gibt es so viel Materie? Wenn es beim Urknall gleich viel Materie wie Antimaterie gegeben hätte, gäbe es heute keines von beidem, weil sie sich zerstrahlt hätten. Die Lösung der Frage lässt sich mit der Existenz eines X-Bosons beantworten: Man stellt sich vor, ein X-Boson halte die Quarks im Innern eines Protons/Neutrons zusammen. Die Symmetrie bedingt, dass es auch ein Anti-X-Boson gibt, das in der Antimaterie die gleiche Aufgabe erfüllt. Kurz nach dem Urknall zerfielen die Anti-X-Bosonen aus irgendeinem Grund, in der Folge zerfielen auch die Antineutronen und die Antiprotonen. Nach diesem Zerfall stand nun Materie, bestehend aus Protonen, Neutronen usw. den Anti-Quarks gegenüber - möglicherweise deshalb dieses unterschiedliche Vorkommen. Wie im obigen Kapitel beschrieben, muss beim Urknall trotzdem eine Annihilation stattgefunden haben.

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Wie stellt man Antimaterie her?
Das Problem beginnt damit, dass Antimaterie sehr schnell vernichtet ist, zumal die ganze Erde aus Koino-Materie besteht. Die einzige Möglichkeit ist, dies in einem Vakuum zu machen. Am Lawrence Radiation Laboratory wurde 1955 das erste Proton-Antiproton-Paar erzeugt, mittels einer Kollision zwischen einem ruhenden und einem auf 6 GeV beschleunigten Proton. Bei der Kollision reichte die Energiemenge von 2 GeV aus, um ein solches Paar zu erzeugen. Einfacher war die Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares, da man dafür nur die Energie zweier kollidierender Photonen braucht.

Schwieriger war die Erzeugung eines einfachen Anti-Atoms, wie z.b. Anti-Wasserstoff. Dazu musste das Antiproton, das aus dem LEAR-Speicherring (beim CERN) kommt, mittels langsamerer Elektronen abgebremst werden, bevor das Antiproton mit dem Positron verbunden wird.

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Wurde Antimaterie bereits im Universum beobachtet?
Nachdem 1908 im russischen Tunguska-Gebiet ein Meteorit vom Himmel fiel und Suchmannschaften keine Überreste des Meteoriten gefunden hatten, vermutete man, dass Meteoriten aus Antimaterie bestehen - also lange bevor Dirac wenigstens eine theoretische Grundlage dafür geschaffen hatte. Darauf, dass sich der Meteorit bei der enormen Einschlagsgeschwindigkeit in Staub auflöst oder gar schmilzt, kam man nicht.

Später konnte man mit präzisen Messinstrumenten diese Frage bejahen. Erstens wurde mit einem Gamma-Detektor eine „Positronen-Fabrik" mit ca. 100 km Durchmesser unweit des Milchstrassenzentrums entdeckt. Zweitens wurde ebenfalls dort in der Nähe eine Antimaterie-Wolke mit 4000 Lichtjahren Breite beobachtet. Stephen Hawking vertritt die These, dass ein Schwarzes Loch durchaus Antimaterie ausstossen könne. Ist im Zentrum unserer Milchstrasse ein Schwarzes Loch?

Früher meinte man, Antimaterie und Koino-Materie würde sich sehr schnell vernichten. Wenn man einen Tropfen Wasser auf eine mehrere Hundert Grad heisse Herdplatte gibt, verdampft das Wasser lange Zeit nicht, weil sich unter dem Tropfen eine Dampfschicht bildet, welche den Kontakt zwischen dem Wasser und der Herdplatte verhindert. Der schwedische Forscher Hannes Alfvén nahm an, dass sich bei einer Annihilation etwas Ähnliches abspielt, schliesslich überdauert Antimaterie im Weltall eine lange Zeit. Wenn eine Wolke aus Antimaterie und eine aus Koino-Materie sich nähern, werden beide Wolken ionisiert (d.h. die Elektronen/Positronen fliegen frei herum, sie kreisen nicht mehr um die Atomkerne herum). Im 0,001 Lichtjahre breiten Grenzbereich zwischen den beiden Wolken annihilieren die Positronen und Elektronen. Dabei erhitzen sie die Umgebung auf etwa 10'000° C, und die beiden Wolken werden dadurch auseinandergehalten. Das hat zur Folge, dass sich grössere Ansammlungen von Materie/Antimaterie nicht so schnell vernichten.




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Besser man wartet bis sie es selber tun.

Paul A. M. Dirac stellte 1928 aufgrund theoretischer Überlegungen die Hypothese auf, dass es zu jedem Elementarteilchen ein Gegenstück mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter elektrischer Ladung – Antimaterie – geben müsse. Ein Atom Anti-Wasserstoff besteht nach dieser Theorie aus einem negativ geladenen Kern (Anti-Proton), der von einem positiv geladenen Teilchen mit der Masse eines Elektrons umkreist wird (Positron).

Vier Jahre später beobachtete Carl Anderson die erste Antimaterie. Er war dabei, die Höhenstrahlung zu untersuchen und hatte für diesen Zweck in der Sternwarte von Mount Wilson eine von einer Bleiplatte in zwei Hälften getrennte Nebelkammer in einem magnetischen Feld aufgebaut und dazu eine Kamera installiert, um die Spuren eintreffender Teilchen festzuhalten. Am 2. August 1932 fiel ihm etwas Merkwürdiges auf: Die Bahnkrümmung eines durch das Magnetfeld abgelenkten Teilchens deutete auf eine positive Ladung hin. Aber es war durch die Bleiplatte gedrungen, musste also die hohe Geschwindigkeit und kleine Masse eines Elektrons gehabt haben. Die Spur stammte von einem "positiven Elektron", einem Positron: Carl Anderson hatte erstmals ein Antimaterie-Teilchen nachgewiesen. (Ein Anti-Proton – also ein negativ geladenes Proton – wurde 1955 erstmals beobachtet.)

Erst seit einigen Jahren wissen wir, wie in der Höhenstrahlung ein Antimaterie-Teilchen entstehen kann: Treffen Elektronen, Protonen oder Photonen aus dem All auf Teilchen der irdischen Atmosphäre, zertrümmern sie sich gegenseitig, und dabei kommt es vor, dass beispielsweise ein Elektron und ein Positron aus einem Photon hervorgehen: Sobald Energie in Materie verwandelt wird, entstehen gleiche Mengen Materie und Antimaterie.

Dieser Vorgang wird vom "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire" (CERN) in der Nähe von Genf in Teilchenbeschleunigern nachgeahmt. 1995 gelang es dort erstmals, nicht nur Antimaterie-Teilchen wie Positronen und Anti-Protonen herzustellen, sondern daraus auch einige wenige Atome Anti-Wasserstoff zu erzeugen – die allerdings so rasch zerfielen, dass keine weiteren Messungen möglich waren.

Materie und Antimaterie entstehen gewissermaßen durch die Materialisierung von Energie. Umgekehrt: Wenn Materie und Antimaterie aufeinandertreffen, verwandeln sie sich in Energie: Die Teilchen annihilieren sich gegenseitig. Nur wenn es gelänge, Antimaterie berührungsfrei in elektromagnetischen Feldern einzufangen – wie es Dan Brown in seinem Thriller "Illuminati" beschrieb –, ließe sich die Annihilierung verhindern – aber dazu müsste man zuerst ein absolutes Vakuum erzeugen, was jedoch unmöglich ist.



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Schon 1929 sagte der britische Physiker Paul Dirac die Existenz von Antiteilchen voraus. Demnach gibt es zu jeden "normalen" Teilchen, wie dem Proton oder dem Elektron, ein Pendant (ergänzendes Gegenstück). Teilchen und entsprechende Antiteilchen besitzen die selben Eigenschaften ( z.B. die gleiche Masse und gleiche Lebensdauer). Entscheidend ist ihre elektrische Ladung, sie ist, zwar gleich groß, doch ihre Ladungs- Vorzeichen bzw. ihre elektrische Polung ist Entgegengesetzt. Ein Elektron besitzt eine negative elektrische Ladung, deren Antiteilchen das Positron ist "positiv".
1932 wurde diese Theorie der Antimaterie durch den US - Physiker Carl Andersen, als er das Positron entdeckte, bestätigt.
1955 gelang es dann einer Gruppe amerikanischer Physiker in Brekeley erstmals auch Antiprotonen herzustellen. Heute ist die Liste der bekannten Antiteilchen auf etwa 100 angewachsen. Es zweifelt heute niemand daran, dass es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen gibt. Doch in der Natur kommen Antiteilchen indes nicht vor. Nähert sich ein Teilchen seinem Antiteilchen so zerstören sie sich gegenseitig und lösen sich in zwei Lichtstrahlen ( Quanten ) auf. Dieser Vernichtungsdrang verbirgt ein tiefgreifendes Rätsel in sich.

Warum gibt es überhaupt Materie ?

Nach der Urknalltheorie war Anfangs, durch die enorme Hitze, der Raum ausschließlich mit Strahlung erfüllt. Als sich dann durch Expansion und Abkühlung die ersten Teilchen bildeten, so z. B. die Quarks (Bausteine der Atomkerne). Dabei hätten damals gleichviel Quarks und Antiquarks entstehen müssen, wobei sie sich gegenseitig vernichtet hätten und übrig geblieben wäre nichts als Strahlung. Tatsächlich blieb bei der Vernichtung von je einer Milliarden Quarks - Antiquarks - Paaren ein Quark übrig. Dieser winzige Überschuss (er beruht nicht aus zufälligen Häufigkeitsschwankungen) verdanken wir unserer Existenz.
Die Lösung dieses Rätsels versuchten 1964 die US-Physiker Val Fitch und James Cronin am Beispiel einer speziellen Teilchensorte zu beweisen, den sogenannten "Kaonen". Sie lassen sich in Teilchenbeschleuniger erzeugen, sie sind aber sehr instabil und zerfallen in extrem kurzer Zeit. Die US-forschen konnten nachweisen, dass bei der selben Anzahl von Kaonen und Antikaonen bei deren Zerfall etwas mehr Teilchen als Antiteilchen entstehen. Das erste und bislang das einzige Mal wurde beobachtet, dass die Natur aus einem unbekannten Grund Materie gegenüber Antimaterie bevorzugt.
Der Physiker und Nobelpreisträger Andrei Sacharow erkannte darin als Erster die Möglichkeit, den Überschuss an Quarks im Urknall zu erklären. Noch ist aber die Ursache der anfänglichen Asymmetrie nicht geklärt. Der kleinste Unterschied in den Eigenschaften von Atomen und den entsprechenden Antiatomen kann der Schlüssel zur Antwort auf diese Frage sein.
Jetzt wollen Physiker im Teilchenlabor Cern in Genf, in einem neuen Experiment unterschiedliche Arten von Antiatomen erzeugen, einfangen und studieren. Hiefür hat das Cern in den vergangenen Jahren für 7,5 Millionen Mark ihre neue Antimaterie - Maschine gebaut. Protonen (Wasserstoffkerne) werden mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch eine Kupferscheibe geschossen. Bei Zusammenstößen mit darin befindlichen Atomkernen entstehen Antiprotonen. Die fliegen aus dem Metallkern heraus und gelangen mit Hilfe von Magnetfeldern in einem Ring mit 60 Metern Durchmesser, wo sie mit verschiedenen Methoden stark gebremst werden. Danach werden sie in drei verschiedenen wissenschaftlichen Instrumenten eingefangen und detailliert untersucht. In den Dekoren "Athena" und "Atrap" bringt man die Antiprotonen und Antielektronen (Positronen) zusammen, so das sie zu Antiwasserstoffatomen zusammenlagern können. In dem Experiment "Asacusa" gehen die Physiker der Frage nach, wie Antiprotonen mit normalen Atomen regieren. In diesem Experiment könnte dann vielleicht die Frage beantwortet werden, ob sich Materie- und Antimaterie- Teilchen wirklich wie Bild und Spiegelbild verhalten, oder ob es winzige Unterschiede gibt. Diese könnten erklären, warum es im Universum überhaupt Materie gibt, aus der die Sterne, Planeten und auch wir Menschen bestehen


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Stanford-Teilchenbeschleuniger bestätigt Unsymmetrie zwischen Materie und Antimaterie


Ein internationales Physikerteam, darunter auch deutsche Forscher der Universitäten Bochum, Dresden, Heidelberg und Rostock, haben am US-Teilchenbeschleuniger SLAC eine deutliche Unsymmetrie zwischen dem Zerfall bestimmter Elementarteilchen und ihrer Antiteilchen beobachtet. Derartige Unsymmetrien erklären, warum unser Universum nur aus Materie, aber nicht aus Antimaterie besteht. Die Forscher stellen ihr Ergebnis im ePrint-Archiv arXiv.org (hep-ex/0407057) vor.

Stellen Sie sich vor, Sie stehen vor einem Spiegel und spielen Roulette. Sie drehen die Roulettescheibe mit der rechten Hand, ihr Spiegelbild benutzt die linke Hand. Ihre Roulettescheibe dreht sich im Uhrzeigersinn, die Scheibe im Spiegel dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn. So weit ist die Welt in Ordnung und gehorcht den physikalischen Gesetzen. Doch dann beobachten Sie, dass bestimmte Zahlen bei Ihrem Roulettespiel öfter von der Kugel getroffen werden als im Spiegelbild. Was bei einem tatsächlichen Spiegel absurd wäre, ist bei bestimmten physikalischen Phänomenen Realität.

Bereits 1957 entdeckte die Kernphysikerin Chien Shiung Wu bei einem radioaktiven Experiment, dass nur linkshändige Teilchen zerfielen, rechtshändige dagegen nicht. Links- bzw. rechtshändig bezieht sich auf die Drehrichtung – den Spin – des Teilchens. Betrachtet man ein linkshändiges Teilchen im Spiegel, dann sieht es aus wie ein rechtshändiges. Da dieses im Gegensatz zum linkshändigen nicht zerfallen kann, sagt man: Das Experiment hat die Spiegelsymmetrie – genauer: die Parität – verletzt.

Nachdem sie diese Symmetrieverletzung akzeptieren mussten, versuchten die Physiker, zumindest eine verallgemeinerte Symmetrie zu retten. Wenn sich ein Teilchen und sein Spiegelbild schon nicht gleich verhalten, vielleicht kann man die Symmetrie ja wiederherstellen, wenn man im Spiegelbild zusätzlich das Teilchen durch sein Antiteilchen ersetzt? In Wu's Experiment konnte man die Symmetrie auf diese Weise retten. Doch bereits 1964 wurde ein Teilchenzerfall beobachtet, der auch diese erweiterte, so genannte CP-Symmetrie, verletzte.

Das BaBar-Team am SLAC-Teilchenbeschleuniger in Stanford hat jetzt eine weitere deutliche Verletzung dieser CP-Symmetrie entdeckt. Im SLAC werden Elektronen und ihre Antiteilchen – Positronen – mit hoher Geschwindigkeit aufeinandergeschossen. Aus der frei werdenden Energie entstehen neue Teilchen, unter anderem B-Mesonen und ihre Antiteilchen. Diese zerfallen wiederum innerhalb einer Millionstel Sekunde in weitere Teilchen.

Die Forscher untersuchten insgesamt 200 Millionen Zerfälle der B-Mesonen. Dabei interessierten sie sich insbesondere für die Fälle, in denen die B-Mesonen in Pionen und Kaonen zerfielen. Sie fanden ein deutliches Ungleichgewicht zwischen dem Verhalten der B-Mesonen und ihrer Antiteilchen – nämlich 910 derartige Zerfälle der B-Mesonen und nur 696 ihrer Antiteilchen.

Man glaubt, dass derartige Verletzungen der CP-Symmetrie dafür verantwortlich sind, dass es in unserem Universum heute keine Antimaterie mehr gibt. Denn man geht davon aus, dass kurz nach dem Urknall gleiche Mengen beider Materiearten im Universum vorhanden waren. Nur weil die Natur bei einer CP-Spiegelung "mit gezinkten Karten" spielt, konnte im Laufe der Zeit ein Übergewicht an Materie geschaffen werden. Beim Zusammentreffen von Materie- und Antimaterieteilchen vernichteten sich beide gegenseitig. Übrig blieb der Materieüberschuss.


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Irgendwas stimmt einfach im Universum nicht: Es sollte weder uns noch die Sterne oder Planeten um uns herum geben. Mit dem Urknall müsste eigentlich, wenn unsere Theorien stimmen, neben der normalen Materie auch Antimaterie entstanden sein. Bei der Antimaterie sind die elektrischen Ladungen im Atom andersherum verteilt. Statt positivem Kern und negativen Elektronen ist es bei der Antimaterie umgekehrt: Negativer Kern und positive Elektronen, Positronen genannt.

Doch wenn wir heute ins Weltall hinausblicken, dann gibt es weit und breit nur normale Materie. Wo ist die Antimaterie geblieben? Nur wenn es - abgesehen von der elektrischen Ladung - einen noch unbekannten Unterschied zwischen Materie und Antimaterie gäbe, ließe sich das erklären. Gibt es ihn?

Hier wirkt Dr. Vera Lüth, eine Physikerin aus Deutschland, die vor 30 Jahren nach einem Forschungsaufenthalt "hier hängen geblieben ist". Unter anderem auch deshalb, weil hier die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie entdeckt worden ist. Dr. Lüth hatte wesentlichen Anteil an dieser Entdeckung. Der Detektor, der speziell dafür gebaut wurde, ist zum großen Teil ihr Baby. Schon in den 70er Jahren, als junge Physikerin, war sie bei großen Entdeckungen dabei.


Es hat mit den Grundfesten des Universums zu tun, woran hier geforscht wird, speziell beim Babar, so heißt "ihr" Detektor. Studenten aus Rostock entwickeln hier die Hard- und Softwarelösungen. Auch die Universitäten Rostock und Bochum sind mit Wissenschaftlern und Finanzen beteiligt.

Zwei Meilen ist der Linear-Beschleuniger lang, in dem elektrisch negativ geladene Elektronen und ihre positiven Antiteilchen, die Positronen, miteinander kollidieren. Durch die Kollisionen entstehen neue Teilchen, die nach kurzer Zeit zerfallen. Was von dem internationalen Wissenschaftlerteam am SLAC herausgefunden wurde: Dieser Zerfall verläuft bei Materie- Teilchen anders als bei Antimaterie. Um 14 Tage sind Dr. Lüth und ihre Kollegen damit einem japanischen Forscherteam zuvorgekommen, das das Ergebnis inzwischen bestätigt hat.

Leider sind die Auswirkungen des jetzt festgestellten Unterschiedes viel zu klein, um dieses Problem zu den Akten legen zu können. Dr. Lüth dreht den Spieß jetzt um. Sie fragt jetzt ihrerseits, ob die Theorie des Urknalls nicht überdacht werden müsste.




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Es gibt noch mehr Fermionen als ich unter Teilchen aufgezähle, da es zu jedem Teilchen (Feld) auch ein Antiteilchen gibt. Sogenannte Antimaterie. Doch im Grunde genommen ist Antimaterie nicht mehr, als sich in der Zeit "rückwärts" bewegende Materie. Eine Verdeutlichung bietet Abb.1, in der ein Laborexperiment beschrieben wird. Wie die Pfeile jedoch andeuten ist das ganze so betrachtet, wie es in Abb.1 dargestellt wird, ein Elektron dass zuerst ein Photon emittiert, dann in der Zeit zurückläuft und dann das Photon aufnimmt.
Abb.1
Beim "Big Bang" ist Materie und Antimaterie erzeugt worden, doch aus verschiedenen Gründen ist vielleicht um ein Tausendstel mehr Materie als Antimaterie entstanden. Die Materie und die Antimaterie vernichteten sich, und der kleine Überschuss der Materie ist übergeblieben. Woher wissen wir jedoch, ob nicht in einem anderen Teil des Universums nicht die Sterne und ganze Galaxien aus Antimaterie bestehen? Wieso haben wir dann nicht schon längst die Antimaterie (die Antimaterieatome, die im Periodensystem oberhalb von Helium liegen würden, und das belegen, da sie nur in einer Kernfusion die nach dem Urknall stattfand, erzeugt worden sein kann, und daher den Beweis für Sterne aus Antimaterie bringen würden), die von den Sternen und Galaxien ausgeht mit unseren Satelliten gemessen? Jede Galaxie hat ein Magnetfeld, nach dem sich die Antimaterie, die aus diesen Galaxien kommen würde, richten müsste. Die Galaxiehaufen haben auch diese Magnetfelder und so würde für das Antimaterieatom ein riesiges Straßennetz entstehen. Bei jeder Kreuzung kann es sich für jede Richtung entscheiden und so würde es sehr lange dauern, Milliarden von Lichtjahren zurückzulegen. Selbst käme es in unserer Galaxis an, so wäre dieses Atom noch lange nicht in den Detektoren unserer Satelliten. Es ist also möglich, wenn auch nicht sehr wahrscheinlich, dass es in unserem Universum auch Antimateriesterne gibt.

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TEILCHENPHYSIK
Der Unterschied von Materie und Antimaterie
Redaktion
astronews.com
13. Juli 2001

Gleich nach dem Urknall, so die Theorie der Teilchenphysiker, gab es annährend gleiche Mengen von Materie und Antimaterie. Die Materie allerdings war leicht in der Überzahl und dieser Tatsache verdanken wir letztlich unsere Existenz. Eine Erklärung für diesen Überschuss von Materie könnten nun neue Ergebnisse des BaBar-Teams in den USA liefern.

Einen neuen Unterschied im Verhalten von Materie und Antimaterie haben Wissenschaftler der Gruppe BaBar unlängst am Stanford Linear Beschleuniger (SLAC) in einer bahnbrechenden Messung entdeckt: Auch unter Beteiligung von deutschen Forschern wurde die so genannte "CP-Verletzung" beim Zerfall von B-Mesonen (das sind schwere, kurzlebige Elementarteilchen) nachgewiesen und damit ein entscheidender Schritt zum Verständnis der Vorgänge nach dem Urknall getan.

Antimaterie kommt in unserer Welt gewöhnlich nicht vor, da sich Materie und Antimaterie bei der Berührung gegenseitig vernichten: Wenn sie aufeinander treffen, zerstrahlen sie zu Gammastrahlung. Antiwasserstoff ist beispielsweise 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.

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 erstmals 1964 und wurden dafür mit dem Nobelpreis belohnt. Sie beobachteten an neutralen K-Mesonen (leichten, langlebigen Elementarteilchen) die so genannte CP-Verletzung: einen Unterschied im Verhalten von Materie- und Antimaterie-Teilchen beim Zerfall. Seitdem suchten Physiker weltweit nach weiteren Beispielen für die CP-Verletzung und jetzt hatten sie Erfolg: "Nach 37 Jahren der Suche wissen die Physiker nun, dass es mindestens zwei Sorten von Elementarteilchen gibt, die dieses erstaunliche Phänomen zeigen", erläutert der Sprecher der Forscherkollaboration BaBar.

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. In ihrem jetzt zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters eingereichten Beitrag finden die Forscher einen Wert für die Asymmetrie, der sich deutlich 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.

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 von der Ruhr-Universität in Bochum, "und für die maßgebliche technische Unterstützung beim Aufbau der einzelnen Komponenten und Testsysteme danken wir den hervorragenden Werkstätten des Instituts für Experimentalphysik."



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Weitere Ergebnisse sprechen dafür, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind


Das Physikerteam um Hans-Volker Klapdor-Kleingrothaus vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg hat weitere 14 Teilchenzerfälle entdeckt, die es eigentlich nicht geben dürfte. Das berichtet der New Scientist. Sollte ihre noch umstrittene Entdeckung bestätigt werden, dann lässt das nur den Schluss zu, dass entweder ein fundamentaler physikalischer Erhaltungssatz verletzt ist oder dass das Neutrino eine "gespaltene Persönlichkeit" hat und sein eigenes Antiteilchen ist.

Der so genannte neutrinolose doppelte Betazerfall, den die Physiker um Klapdor-Kleingrothaus seit 1990 ihren Auswertungen zufolge 29-mal beobachtet haben, ist eine Variante eines radioaktiven Zerfalls. Beim gewöhnlichen Betazerfall zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino.

Bei solch einem Teilchenzerfall – oder anders ausgedrückt: der Umwandlung eines Teilchens in drei andere – sollten alle physikalischen Erhaltungssätze eingehalten werden. Diese Sätze bilden quasi die Grundpfeiler der Physik. Findet man irgendeinen Prozess, der einen dieser Erhaltungssätze verletzt, dann bedeutet das schlichtweg: Die Physiker haben die physikalische Welt noch nicht richtig verstanden – irgendetwas kann nicht stimmen.

Beim Betazerfall spielt insbesondere der Leptonenerhaltungssatz eine Rolle. Ein Neutron hat die Leptonenzahl 0, ein Proton ebenfalls 0, ein Elektron 1 und ein Antineutrino -1. Die Summe nach dem Zerfall ist somit beim gewöhnlichen Betazerfall gleich der Leptonenzahl vor dem Zerfall. Die physikalische Welt – genauer: die Welt der Standardtheorie der Teilchenphysik – ist somit in Ordnung.

Beim neutrinolosen doppelten Betazerfall, dessen Existenz erstmals im Jahr 1937 von dem italienischen Physiker Ettore Majorana vorhergesagt wurde, verwandeln sich gleichzeitig zwei Neutronen in zwei Protonen und zwei Elektronen, ohne dabei Antineutrinos zu erzeugen. Das verletzt offensichtlich den Leptonenerhaltungssatz: Vor dem Zerfall beträgt die Gesamtleptonenzahl 0, danach wegen der beiden Elektronen 2.

Allerdings könnte man die Physik retten, wenn man annimmt, dass Neutrinos wie Dr. Jekyll und Mr. Hyde eine gespaltene Persönlichkeit haben. Angenommen, es entsteht bei einem der beiden Zerfälle doch ein Antineutrino, dann würde die Rechnung für diesen ersten Zerfall schon mal stimmen. Wäre nun das Neutrino sein eigenes Antiteilchen, dann könnte das zweite Neutron das (Anti-) Neutrino aufnehmen, bevor es in ein Elektron und ein Proton zerfällt. Die Leptonenzahl würde hierbei vorher und nachher gleich 1 sein. Von außen betrachtet würde dieser ganze Prozess als neutrinolos erscheinen.

Die Ergebnisse des Teams um Klapdor-Kleingrothaus werden noch nicht allgemein anerkannt. Das liegt vor allem daran, dass einige Physiker bezweifeln, dass die Heidelberger Gruppe alle Störeinflüsse in der richtigen Größenordnung berücksichtigt hat. Die Experimente werden im italienischen Gran-Sasso-Laboratorium durchgeführt, das 120 Kilometer östlich von Rom im Innern des Berges Gran Sasso errichtet wurde. Der Felsen schirmt die kosmische Strahlung ab, die die Experimente verfälschen würde.

Würde sich die "gespaltene Persönlichkeit" des Neutrinos als Tatsache erweisen, dann könnte dies dazu beitragen zu erklären, warum sich in unserem Universum kurz nach dem Urknall ein Überschuss an Materie bildete. Das sagt Sacha Davidson von der Durham-Universität. Ohne diesen Materieüberschuss hätten sich Materie und Antimaterie gänzlich gegenseitig vernichtet und im Universum wäre nur Strahlung übrig geblieben. Demnach verdanken wir unsere Existenz der gespaltenen Persönlichkeit des Neutrinos.


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Mysteriöse Materie ist möglicherweise leichter als angenommen


Britische Wissenschaftler der Universität von Oxford haben nach umfangreichen Analysen von Gammastrahlenausbrüchen im Zentrum der Milchstraße eine neue Theorie über den Aufbau der Dunklen Materie aufgestellt. Demnach besteht diese nicht wie bisher angenommen aus sehr schweren, sondern vielmehr aus relativ leichten Teilchen. Darüber wird das Fachmagazin Physical Review Letters in einer kommenden Ausgabe berichten.

Der bisherigen Lehrmeinung zu Folge besteht die im Weltraum vermutete Dunkle Materie aus so genannten WIMPS (weakly interacting massive particles oder schwach wechselwirkende, schwere Teilchen). Diese neuartigen Elementarteilchen sollen so schwer sein, dass sie bisher nicht in Kollisionsexperimenten in Teilchenbeschleunigern auf der Erde erzeugt werden konnten.

Celine Boehm und ihre Forscherkollegen aus Oxford haben nun allerdings bei der Untersuchung der Energieverteilung von Gammastrahlenausbrüchen im Zentrum der Milchstrasse entdeckt, dass die Bestandteile der Dunklen Materie womöglich viel leichter sind. Ihrer Theorie nach entstehen die Gammastrahlen nämlich durch den Zusammenprall von Dunkler Materie und Antimaterie. Dabei wird die Masse dieser Teilchen in Energie umgewandelt. Die Bestimmung der Energie der Gammastrahlen lässt daher Aufschlüsse über die Massen der sie erzeugenden Elementarteilchen zu.

Wenn nun allerdings die Dunkle Materie aus bisher unbekannten, relativ leichten Teilchen aufgebaut seien sollte, so stehen die Forscher vor einem neuen Problem: Wieso wurden diese Teilchen dann nicht in Experimenten an Teilchenbeschleunigern entdeckt? Dies könnte vielleicht damit zusammenhängen, dass die Teilchen nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken. Dunkle Materie bleibt daher auch weiterhin mysteriös

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Experimente am CERN sollen klären, ob eine Krebstherapie mit Antimaterie erfolgversprechend ist


Strahlentherapien gegen Krebs schädigen immer auch gesundes Gewebe. Im Juni wird im Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik CERN bei Genf ein Experiment beginnen, dass die Wirkung von Antimaterie auf lebende Zellkulturen untersuchen soll. Die Forscher glauben, dass eine Bestrahlung mit Antimaterie gezielter als die bisherigen Therapien gegen das Tumorgewebe eingesetzt werden kann. Das berichtet das Wissenschaftsmagazin New Scientist.

Die herkömmliche Strahlenbehandlung gegen Krebs arbeitet mit Gamma- oder Röntgenstrahlung. Die Strahlen werden zwar gezielt auf das Tumorgewebe gerichtet, aber es lässt sich nicht verhindern, dass auch das Gewebe, das sie auf dem Weg zum Tumor im Körperinnern durchqueren müssen, geschädigt wird.

Das Ziel der Bestrahlung ist es, die in der DNA der Krebszellen gespeicherte Erbinformation zu zerstören und die Zelle dadurch zu töten. Das Verfahren funktioniert deshalb, weil gesunde Zellen sehr viel besser dazu in der Lage sind, die durch die Strahlung verursachten Schäden zu reparieren als dies die Krebszellen können. Trotzdem sterben bei jeder Bestrahlung auch zahlreiche gesunde Zellen.

Eine bessere Zielgenauigkeit erreicht man mit der Protonentherapie. Protonen sind die Teilchen, aus denen - neben den Neutronen - die Atomkerne bestehen. Protonen schädigen die Zellen, indem sie Atome ionisieren, also Elektronen aus den Atomhüllen herausschlagen. Dabei verlieren die Protonen Energie und werden langsamer.

Der Vorteil dabei: Langsame Protonen geben wesentlich mehr Energie ab als schnelle. Kurz bevor das Proton zum Stillstand kommt, richtet es deshalb den größten Schaden an. Deshalb kann man die Protonen durch geeignete Einstellung der Energie zielgenau auf das Tumorgewebe richten und gleichzeitig die Schäden im gesunden Gewebe gering halten.

Das Team um Carl Maggiore von der Firma PBbar Medical im kalifornischen Newport Beach vermutet, dass die Bestrahlung mit Antiprotonen noch effektiver ist. Antiprotonen sind die Antiteilchen der Protonen und gehören somit zur Antimaterie, die es in unserem Universum seit kurz nach dem Urknall eigentlich nicht mehr gibt.

Zum einen haben die Antiprotonen die gleichen Vorteile wie die Protonen. Doch wenn das Antiproton im Tumorgewebe zum Stillstand kommt, entreißt es einem der dortigen Atome ein Proton. Bei ihrem Zusammentreffen vernichten sich Proton und Antiproton gemeinsam und erzeugen dabei Gammastrahlen und verschiedene Teilchen wie beispielsweise Pionen.

In einer Computersimulation hat Maggiores Team ausgerechnet, dass diese Teilchen und die Gammastrahlung keinen zusätzlichen Schaden anrichten. Aber der Atomkern, von dessen Protonen sich eines mit dem Antiproton vernichtet, wird instabil und zerfällt. Die relativ langsamen Bruchstücke sind es dann, die im umliegenden Gewebe - bei richtiger Einstellung der Energie ist das das Tumorgewebe - großen Schaden anrichten.

Die Forscher konnten die Verantwortlichen im CERN davon überzeugen, dass ihre Theorie Aussicht auf Erfolg hat. CERN ist das einzige Laboratorium, das Antiprotonen mit geeigneter Energie erzeugen kann. Allerdings rechnet niemand mit schnellen Erfolgen. "Wenn die ersten Experimente vielversprechend sind und es Wert erscheinen lassen, die Sache weiter zu verfolgen, dann gibt es genügend Folgeexperimente, um eine Armee von Wissenschaftlern die nächsten 20 Jahre zu beschäftigen", sagt Maggiore.


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Experiment könnte erklären, warum unser Universum ausschließlich aus Materie besteht


Zu jedem Baustein unserer Materie gibt es einen direkten Antimaterie-Partner. Die Erforschung von einzelnen Elektronen und Positronen, Protonen und Antiprotonen gehört zum Alltag der Elementarteilchen-Physiker. Nun gelang am Forschungszentrum CERN bei Genf die Herstellung und der Nachweis von ganzen Atomen aus Antimaterie.

In nur einer Stunde konnten die Wissenschaftler mehr Antiwasserstoff-Atome erzeugen als die gesamten Forschung bisher zusammen genommen. Das Experiment, das sie im Fachblatt Physical Review Lettersbeschreiben, könnte nun eine Erklärung liefern, warum unser Universum ausschließlich aus Materie besteht und nichts auf die Existenz einer Welt aus Antimaterie deutet.

Während ein Wasserstoffatom aus einem Elektron und einem Proton besteht, setzt sich Antiwasserstoff aus einem Positron und einem Antiproton zusammen. Das internationale Team der ATRAP-Kollaboration, zu dem auch Physiker des Forschungszentrums Jülich, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik sowie der Ludwig-Maximilians-Universität München gehören, erzeugte mehr als 170.000 Antiwasserstoff-Atome in einer speziellen Wechselwirkungszone. In dieser treffen bei extrem tiefen Temperaturen Positronen und Antiprotonen aufeinander und bilden je ein Antiwasserstoff-Atom.

Um die Eigenschaften dieses ersten künstlich hergestellten Atoms aus der Welt der Antimaterie zu untersuchen, brachten es die Forscher zwischen die beiden Pole einer Batterie. Durch die unterschiedliche Ladung von Antiproton (negativ) und Positron (positiv) wird das Antiatom bei ausreichender Spannung zerrissen. Bei weitem Abstand von Positron und Antiproton im Antiwasserstoff-Atom genügt dazu eine kleine Spannung. Sind Positron und Antiproton dagegen näher beieinander, muss eine höhere Spannung angelegt werden, um das Antiwasserstoff-Atom zu zerlegen. Dadurch wollen die Physiker mit deutlich weniger Störsignalen als jemals zuvor auf die quantenmechanischen Zustände dieses Exoten schließen, die wichtige Details über die Struktur des Antiwasserstoffs verraten können.

Erst kürzlich wurde die erste Erzeugung von Antiwasserstoff im ATHENA-Experiment dadurch nachgewiesen, dass die produzierten Antiwasserstoff-Atome auf gewöhnliche Materie treffen. Genau in diesem Augenblick vernichtet sich Materie und Antimaterie gegenseitig. Dabei wird ausschließlich Energie freigesetzt, die exakt der Masse der ursprünglichen Teilchen entspricht.

Die gegenwärtig akzeptierte Theorie besagt, dass das Antiwasserstoff-Atom und das gewöhnliche Wasserstoff-Atom identische Eigenschaften haben. Diese Vorhersage wurde allerdings noch nie experimentell überprüft. Neuere Modelle lassen geringe Unterschiede zwischen Antiwasserstoff und Wasserstoff zu. Die Möglichkeit, viele Antiwasserstoff-Atome zu speichern, wird Laserexperimente erlauben, die winzige Unterschiede zwischen Antiwasserstoff und Wasserstoff offenbaren könnten. Mit solchen Messungen lassen sich grundlegende Theorien prüfen und vielleicht sogar das Rätsel lösen, warum in unserem Universum ungleich mehr Materie als Antimaterie existiert.


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CERN erzeugt 50.000 Antiwasserstoffatome

Forscher wollen mit dieser Menge Antimaterie die Standardtheorie der Teilchenphysik prüfen


Ein internationales Forscherteam am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf kann innerhalb weniger Minuten 50.000 Antiwasserstoffatome erzeugen. Mit dieser großen Menge von Antimaterie soll die Standardtheorie der Teilchenphysik getestet werden. Das könnte die Frage klären, warum es in unserem Universum so gut wie keine Antimaterie gibt. Die Forscher stellen den Aufbau ihres Experimentes ATHENA in einer Vorabveröffentlichung der Fachzeitschrift Nature (DOI: 10.1038/nature01096) vor.

Gemäß der Standardtheorie der Teilchenphysik verhält sich Antimaterie in einem gewissen Sinne exakt "spiegelbildlich" zu Materie. Das macht es außerordentlich schwer zu verstehen, warum unser Universum offenbar ausschließlich aus Materie besteht. Denn gemäß dieser "Spiegelbildtheorie" können Teilchen nur gemeinsam mit ihren zugehörigen Antiteilchen aus reiner Energie erzeugt oder zu Energie vernichtet werden. Wie kann es da zu dem beobachteten Materieüberschuss in unserem Universum gekommen sein?

Eine mögliche Antwort, die im CERN überprüft werden soll, wäre eine winzige Abweichung der Antimaterie von dem von der Standardtheorie behaupteten spiegelbildlichen Verhalten. Antiwasserstoff eignet sich für diesen Test deshalb besonders gut, weil eine bestimmte Eigenschaft des Wasserstoffatoms außerordentlich genau bekannt ist.

Im Wasserstoffatom kreist ein Elektron um ein Proton. Gemäß der Quantenmechanik kann das Elektron sich nicht auf beliebigen Bahnen um das Proton bewegen, sondern hat nur bestimmte Bahnen zur Auswahl. Die Häufigkeit, mit der das Elektron unter bestimmten Bedingungen von der untersten auf die nächsthöhere Bahn wechselt, ist bis auf etwa ein Billionstel Prozent genau bekannt.

Die CERNer Physiker wollen diese Häufigkeit mit der entsprechenden Häufigkeit im Antiwasserstoffatom vergleichen. Die Genauigkeit dieses Vergleichs soll Eins zu einer Trilliarde (eine Eins mit 18 Nullen) betragen. Um diese Genauigkeit zu erreichen, muss die Temperatur des Antiwasserstoffs in der Nähe des absoluten Nullpunktes bei minus 273 Grad Celsius liegen. Da man Antiwasserstoff aus naheliegenden Gründen nicht einfach kühlen kann – die Elektronen und Protonen der Atome des Kühlmediums würden sich sofort mit den entsprechenden Antiteilchen des Antiwasserstoffs gemeinsam vernichten – erzeugen die Physiker den Antiwasserstoff gleich bei dieser niedrigen Temperatur.

Ein weiteres Experiment, das man mit dem Antiwasserstoff plant, ist der Test der allgemeinen Relativitätstheorie. Man will wissen, ob Antiwasserstoffatome unter dem Einfluss der Gravitation genauso schnell fallen wie Wasserstoffatome. Bei einzelnen Elementarteilchen wie Elektronen oder Positronen ist solch ein Test nur schwer durchzuführen, da diese Teilchen wegen ihrer elektrischen Ladung von kleinsten elektromagnetischen Feldern abgelenkt werden. Das (Anti-) Wasserstoffatom verhält sich diesen Feldern gegenüber dagegen neutral.



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Nach kritischer Prüfung bleiben drei aussichtsreiche Ansätze zur teilweisen Aufhebung der Schwerkraft im Rennen


Die europäische Raumfahrtbehörde ESA steht kurz vor dem Beginn eines eigenen Programms zur Erforschung von Anti-Schwerkraft-Systemen. Ein Expertenteam hat bereits mehr als ein Dutzend verschiedene Vorschläge zur teilweisen Aufhebung der Schwerkraft überprüft und drei potenzielle Kandidaten identifiziert, die weiterverfolgt werden sollen. Darüber berichtet das britische Wissenschaftsblatt New Scientist.

Die von Orfeu Bertolami and Martin Tajmar verfasste Studie untersucht mehrere in der Fachpresse diskutierte Vorschläge zur Beeinflussung oder Aufhebung der Schwerkraft und wurde vor wenigen Tagen im Los Alamos Archiv veröffentlicht. An den meisten der Vorschläge lassen die Forscher kein gutes Haar – entweder sind ihre Einflüsse auf die Schwerkraft zu schwach, oder sie verstoßen gegen grundlegende physikalische Gesetze.

Drei Theorien sollen allerdings in dem geplanten ESA-Programm weiterverfolgt werden. Die erste befasst sich mit den Ursachen der merkwürdigen Flugbahnen der Raumsonden Pioneer 10 und 11. Diese lassen bislang sich nicht mit den Einflüssen der Schwerkraft bekannter Massen in unserem Sonnensystem erklären. Die geplante Sputnik-5-Mission soll den Ursachen auf die Spur kommen.

Der zweite Vorschlag umfasst für die Internationale Raumstation geplante Experimente mit Antimaterie. Insbesondere soll geklärt werden, ob die Schwerkraft auf diese in anderer Weise wirkt als auf gewöhnliche Materie.

Der dritte von den Forschern ausgewählte Ansatz ist eng mit dem Anti-Schwerkraft Programm des Flugzeuggiganten Boeing verwandt (bdw berichtete im Newsticker). Dieses untersucht den Einfluss rotierender Supraleiter und superfluider Flüssigkeiten auf das über ihnen befindliche Schwerefeld.

Die ESA-Forscher sind sich darüber im klaren, dass derartige Programme niemals zu einer Aufhebung der Schwerkraft oder zu neuen Flugzeugantrieben führen werden. Allerdings wäre selbst eine kleine Veränderung des Schwerefelds von großer Bedeutung für die Herstellung hochreiner Materialien, da sich die Schwerkraft oftmals negativ auf Kristallzüchtungsprozesse auswirkt.



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Forscher: Schattenwelt aus Spiegelmaterie kann kosmische Ungereimtheiten erklären

Hat unsichtbare Spiegelmaterie die Raumsonde Pioneer 10 abgebremst?


Was haben die Tunguska-Explosion von 1908 und die rätselhafte Abbremsung der Raumsonde Pioneer 10 gemeinsam? Beide haben etwas mit einer völlig neuen Form der Materie zu tun, der "Spiegelmaterie", sagt der Physiker Robert Foot von der University of Melbourne in seinem neuen Buch.

Spiegelmaterie - nicht zu verwechseln mit Antimaterie - hat Foot ersonnen, um die Symmetrieverletzung bei einigen Kernreaktionen von gewöhnlichen Elementarteilchen zu erklären. Damit die Symmetrie wieder stimmt, führte Foot Spiegelteilchen ein, die genau die gleiche Masse haben wie die gewöhnlichen Elementarteilchen, mit diesen jedoch nur über die Schwerkraft wechselwirken. Merkwürdige Folge dieser Idee: Sterne aus Spiegelmaterie wären unsichtbar, da sie Spiegelphotonen aussenden.

Riesenplaneten, die scheinbar heimatlos durchs All irren, könnten zu solchen Spiegelsternen gehören, so Foot. Auch das Objekt, das 1908 in Tunguska mit der Erde kollidierte und keinerlei Trümmer hinterließ, könnte aus Spiegelmaterie bestanden haben - die möglicherweise noch an der Stätte der Katastrophe zu finden ist. Auch den Planeten Pluto hat Foot im Verdacht, aus der Spiegelwelt zu kommen. Das könnte seine ungewöhnliche Bahn erklären.

Die unerklärliche Abbremsung der Raumsonde Pioneer 10, die sich mittlerweile am Rande des Sonnensystems befindet, könnte auf die Anziehungskraft unsichtbarer Spiegelmaterie zurückzuführen sein. Die Spiegelmaterie könnte Foots Meinung nach außerdem das Rätsel der dunklen Materie lösen, die über 90 Prozent des Weltalls ausmacht, aber unsichtbar ist.

Foot liefert sogar Beispiele aus der Elementarteilchenphysik, die seine Theorie stützen: So ist die gemessene Lebenszeit von Orthopositronium - einem Teilchen aus einem Elektron und einem Anti-Elektron (Positron) - kürzer als von der Theorie vorhergesagt. Foot führt dies auf die Existenz von Spiegelphotonen zurück, die sich in gewöhnliche Photonen verwandeln können.


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Der Schlüssel zu den Geheimnissen unseres Universums - er liegt in den Händen von Physikern und Astronomen. Dies ist das Fazit eines Berichts des National Research Council der National Academies (USA). Der Bericht benennt elf Fragen, die die Wissenschaft der Quarks mit der des Kosmos verbinden: Sie kreisen um den Ursprung und die Entwicklung des Universums, das Rätsel der dunklen Energie und das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen. Zur Beantwortung der Fragen empfehlen die Autoren gemeinsame Anstrengungen der großen amerikanischen Forschungsorganisationen Nasa, des Departments of Energy (DOE) und der National Science Foundation (NSF).

Wissenschaftliche Erfolge von Astronomen und Physikern haben den Weg frei gemacht, um die wirklich großen Fragen zu beantworten, meint Michael Turner, Vorsitzender der Komission, die den Bericht verfasst hat. Der Bericht listet die Fragen Punkt für Punkt auf:



Wie hat das Universum begonnen – speziell, was ist die physikalische Ursache der kosmischen Inflation, jener extrem schnellen Ausdehnung zu Beginn des Universums?


Was ist das Wesen der dunklen Energie, die mit ihrer abstoßenden Gravitationswirkung dafür verantwortlich ist, dass sich das Weltall immer schneller ausdehnt, je größer es wird?


Was ist die dunkle Materie - jene unsichtbare Materieform, deren Anziehungskraft zur Bildung der Galaxien und großräumiger Strukturen beigetragen hat?


Lässt sich Einsteins Gravitationstheorie mit Quanteneffekten vereinbaren?


Welche Massen tragen die Neutrinos und wie haben diese die Entwicklung des Alls beeinflusst?


Wie funktionieren kosmische Beschleuniger, die für hochenergetische Teilchen aus dem All verantwortlich sind?


Sind Protonen instabil – so dass sich das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie erklären ließe?


Gibt es bei hohen Dichten und Temperaturen neue Materiezustände wie Quark-Gluonen Plasmen?


Gibt es weitere Raum-Zeit-Dimensionen?


Wie entstanden die schwereren Elemente vom Eisen bis zum Uran?


Ist eine neue Theorie der Materie und des Lichts bei hohen Energien erforderlich?



Antworten könne man möglicherweise bereits in den nächsten Jahrzehnten durch astronomische Beobachtungen und physikalische Experimente im Laboratorium finden. Der Bericht nennt eine Reihe von Projekten, mit denen man einer Lösung näher kommen könnte:

In einer unbemannten Weltraummission solle man die Polarisation der Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich messen und so den Fingerabdruck der kosmischen Inflation identifizieren: Jene subatomaren Schwankungen, die während der kosmischen Inflation auf astronomische Ausmaße aufgeblasen wurden und schließlich die heute beobachtbaren Galaxien und Sternhaufen bildeten.

Der dunklen Energie könne man auf die Spur kommen, indem man den Himmel systematisch kartiere. Hierzu müsste man auf der Erde und im Weltraum Teleskope stationieren, die wie das erdgebundene Large Synoptic Survey Telescope (LSST) einen großen Himmelsabschnitt erfassen können.

Ebenfalls in Weltraummissionen könne man Einsteins Gravitationstheorie testen. Das Komitee empfiehlt hierfür zwei Projekte: das Constellation-X Programm, bei dem mehrere gekoppelte Röntgensatelliten die Umgebung von Schwarzen Löchern beobachten sollen, und die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), ein Weltrauminterferometer aus drei Satelliten, das Gravitationswellen aufspüren soll.

In einem unterirdischen Laboratorium zum Schutz vor der kosmischen Strahlung solle man nach der dunklen Materie fahnden und versuchen, die Neutrino-Masse und die Lebensdauer des Protons zu bestimmen. Die Physik unter extremen Bedingungen, wie sie vielfach im All herrschen, könne man mithilfe von Hochenergie-Lasern und –Beschleunigern sowie Apparaturen zur Erzeugung von Plasmaeinschlüssen studieren. Die hochenergetische kosmische Strahlung werde bereits mit dem Southern Auger Array untersucht - dieses Projekt müsse weiter gefördert werden.

Damit aber ein großer Schritt vorwärts gemacht werden kann, müssten die Grenzen zwischen den Disziplinen Astronomie und Physik und ihren assoziierten Organisationen überschritten werden und - man benötige neue Geldquellen.



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Während ihrer Suche nach bekannten oder vorausgesagten Teilchen stiessen die Teilchen-Physiker auf besondere Teilchen, die genau die gleichen Eigenschaften wie schon bekannte Teilchen aufwiesen, aber mit dem kleinen Unterschied, dass alle ihre Ladungen genau umgekehrt waren. Sie nannten diese Teilchen Antiteilchen.

Zu jedem Teilchen gibt es auch ein Antiteilchen. So gibt es zum Beispiel nicht nur ein up-Quark, sondern auch ein anti-up-Quark.


Unsere Welt besteht hauptsächlich aus Materie, nicht aus Antimaterie. Das ist auch gut so, denn die Antiteilchen haben einen kleinen Haken: Jedesmal wenn ein Teilchen sein Antiteilchen trifft, annihilieren sie sich gegenseitig, das heisst, sie verwandeln sich in reine Energie. Andererseits können Teilchen und Antiteilchen auch aus Energie kreiert werden.

Die Annihilation und Kreation von Teilchen und Antiteilchen ist eines der schönsten Gebiete um Theorien aufzustellen. Eine der spannendsten Theorien sagt, dass Teilchen und Antiteilchen identisch sind, mit dem kleinen Unterschied, dass Antiteilchen sich in der Zeit rückwärts bewegen.


In der Animation links kannst du diese Theorie illustriert sehen. Der schwarze Pfeil oben zeigt den Verlauf unserer Zeit an. Darunter siehst du, wie ein down-Quark ein Photon (Energieteilchen) trifft und dadurch in der Zeit zurück geworfen wird. Wenn du auf "animiert" klickst, siehst du das Ganze im Verlauf unserer Zeit.

Der beschriebene Prozess ist die Annihilation von Teilchen und Antiteilchen. Klick auf "Kreation" um das gleiche für die Kreation von Teilchen und Antiteilchen zu sehen.

Doch warum besteht unsere Welt nur aus Materie, wenn doch Materie und Antimaterie gleichzeitig kreiert werden? Auch dazu gibt es verschiedene Theorien. Einige Wissenschaftler denken, dass Materie gegenüber der Antimatierie einen kleinen Vorteil hat, dank dem die Chance annihiliert zu werden kleiner ist. Es gibt auch Theorien, dass es andere Planeten, Galaxien oder sogar Universen gibt, die aus Antimaterie bestehen. Wäre es nicht interessant, einen Antimenschen kennen zu lernen?



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