Antimaterie


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

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 bewaehrt und
das 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 Gueltigkeit bewahrt (trotz viele Entdeckungen, die erst danach
kamen). Dirac bemerkte in seine neue Theorie, dass es Loesungen gibt, die
auf dem ersten Blick physikalisch nicht sinnvoll erscheinen.

Um diese Sachverhalt zu verdeutlichen, lassen wir mal mit einer ganz
einfachen Aufgabe einen Vergleich machen: Eine quadratische Gelaender hat
eine Flaeche von 4 km^2, wie gross ist die Seitenlaenge? 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 aehnlich war nun auch Dirac ergangen. Nun war Dirac ein jener Menschen,
die der Mathematik sehr vertrauen. Wenn die Mathematik schon so eine
Loesung 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 haben mit der Materie fast alles gemeinsam, die Masse,
die Energie, das Verhalten, die Ladungsmenge, nur nicht die
Ladungsvorzeichen. Ein Stueck Anti-Materie, die etwa ein Elektron
entspricht, wuerde als nicht etwa eine Minuselementarladung besitzen,
sondern eine Pluselementarladung.

Nun hat bis 1928 noch keiner ein Antimaterie gesehen, so sahen viele
Physiker auch diese Spekulation von Dirac sehr skeptisch gegenueber.
Schliesslich sind die Physiker ja keine Mathematiker und fuer sie
existieren genau das, was auch tatsaechlich in der Natur nachgewiesen
werden kann.

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

Was hat dieser Anderson gemacht? Dieser Anderson hat die Hoehenstrahlung
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 Hoehenstrahlung,
die wurde naemlich noch frueher durch Hoehenbaloons mit entsprechenden
Geraeten an Board entdeckt. Nun sagten die Physiker, na gut, wenn wir noch
keine Teilchenbeschleuniger zu bauen wissen, koennen wir doch die Natur
bedienen. Also nimmt man die Teilchen zur Untersuchung, die von der
Hoehenstrahlung kommen.

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

An jenem besagten August-Tag nun registrierte das Kamera von Anderson eine
Spur, die ausserordentlich seltsam ist. Von der Richtung der Kruemung sah
man, dass es eine positive Ladung war. Da man damals ausser Elektronen nur
Protonen kennt, wuerde 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 waere und wenn seine Geschwindigkeit so gross
waere, wuerde er aber einen viel groesseren Kruemungsradius haben als die
auf der Platte. Folglich: das Teilchen, das diese Spur verursacht hatte,
hat eine viel kleinere Masse.

Das ist doch was aeusserst merkwuerdiges, dachte sich Anderson und
beschliess, 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 ist genau so gross wie die
des Elektrons. Somit hat Anderson ein positives Elektron, also ein
Positron, entdeckt. Das war das erste Anti-Materie-Teilchen, dass je in
der menschliche Geschichte dokumentiert wird.

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

Nun, wie entstehen die Positronen in der Hoehenstrahlung (und damit
verbunden auch die Frage, wie macht man sowas), schliesslich besteht ja
unsere Welt aus Materie. Die Hoehenstrahlung besteht aus Teilchen mit sehr
hoher Geschwindigkeit (zum Beispiel Elektronen oder Protonen, die mit fast
Lichtgeschwindigkeit bewegen) oder sehr hochenergetische Photonen (also
Gamma-Strahlung). Wenn diese Teilchen auf ein irdisches Teilchen in der
Atmosphaere treffen, dann zerschmettert diese das irdische Teilchen
buchstaeblich. Daraus wird zuerst einmal eine riesen Truemmel, die mit
ebenfalls immer noch sehr hohe Geschwindigkeit bewegen. Dabei koennen die
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 einen 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 genommen ist dies inzwischen schon eine Routine bei den
Hochenergie-Physiker. Wenn zum Beispiel die Ringe bei DESY oder bei CERN
laufen, werden taeglich 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 abkuehlen konnte,
dass man sie in einem thermoflaschefoermigen 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 elektrische oder magnetische Kraefte ablenken, waehrend bei neutrale
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 ausfuehrlich genuge)
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 vollstaendig zur Ruhe bringen und gezielt
beeinflussen. Damit eroeffnen sich neue Anwendungen in Physik und Bio-
chemie. So kann man etwa Gase bis fast auf den absoluten Nullpunkt
kuehlen, praezisere Atomuhren entwickeln oder einzelne DNA-Molekuele
strecken.
Kuehlung 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 bis-
her genauesten Vergleiche der Eigenschaften von Materie und Antimate-
rie.
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 Vor-
aussage der Antimaterie.
Ferner das wunderschoene Einfuehrungsbuch in die Quantenmechanik vom
Spektrum-Verlag: Das Quantenuniversum.