Die Antimaterie ist nichts geheimnisvolles

Genauer gesagt, sie war einmal etwas geheimnisvolles, allerdings nur für 4 oder 5 Jahre. Nachdem Einstein seine Relativitätstheorie aufgestellt und die Quantenphysiker die Quantenmechanik aufgestellt hatten, gab es Versuche, diese beide Theorien, die eine im Bereich des Makrokosmos gut bewährt und das andere im Bereich des Mikrokosmos, zu vereinigen. Der erste Erfolg gelang Paul Dirac.

Dirac ist ein englischer Physiker und ein unglaublich brillanter Mathematiker. Dirac vollendete 1928 eine Theorie, die die Quantenphysik und die spezielle Relativitätstheorie zusammenbindet und die bis heute ihre Gültigkeit bewahrt (trotz viele Entdeckungen, die erst danach kamen). Dirac bemerkte in seine neue Theorie, dass es Lösungen 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 Geländer hat eine Fläche von 4 km^2, wie groß ist die Seitelänge? 2km sagt der Schüler. Na ja, der peinlich genauer Mathematiker würde sagen plusminus 2km. Aber offensichtlich gibt es für die -2km keinen physikalischen Sinn, also nimmt man die +2km als Lösung. So ähnlich war nun auch Dirac ergangen.

Nun war Dirac ein 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 Lösung 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 Stück Anti-Materie, die etwa ein Elektron entspricht, würde 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 gegenüber. Schließlich sind die Physiker ja keine Mathematiker und für sie existieren genau das, was auch tatsächlich in der Natur nachgewiesen werden kann. So verging 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 Höhenbaloons mit entsprechenden Geräten an Board entdeckt.

Nun sagten die Physiker, na gut, wenn wir noch keine Teilchenbeschleuniger zu bauen wissen, können wir doch die Natur bedienen. Also nimmt man die Teilchen zur Untersuchung, die von der Höhenstrahlung kommen. Da man nie so richtig weißt, wann denn ein Teilchen ankommt, und das Warten darauf zu langweilig ist, überläßt der faule Mensch das Warten ein Photoapparat. Bei Anderson wurde ein Nebelkammer benutzt, der von Bleiplatten durchtrennt sind, und daneben ein Kamera. Parallel zur Kamera ist 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 hin) und die Geschwindigkeit des Teilchens. Die Richtung, nach welche Seite die Spur gekrümmt ist, hängt 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 Krümmung sah man, dass es eine positive Ladung war. Da man damals außer Elektronen nur Protonen kennt, 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 größeren Krümmungsradius haben als den auf der Platte. Folglich: das Teilchen, das diese Spur verursacht hatte, hat eine viel kleinere Masse. Das ist doch etwas 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 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 die Photoplatte der Höhenstrahlung mit einer Positronenspur glatt weggeworfen worden wäre, weil sie völlig uninteressant ist. Nun, wie entstehen die Positronen in der Höhenstrahlung (und damit verbunden auch die Frage, wie macht man so was), schließlich besteht ja unsere Welt aus Materie. Die Höhenstrahlung 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 Atmosphäre trifft, dann zerschmettern diese das irdische Teilchen buchstäblich. 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 einen 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 können unter anderem auch Antimaterie entstehen.

An sich ist dies inzwischen schon eine 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 Thermoflaschen förmigen Behälter in einem Pkw von der Ostküste des amerikanischen Kontinents bis zur Westküste transportieren konnte (ich möchte 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 Kräfte ablenken, während 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 kürzesten Zeit wieder weg waren. Um diese schon recht lange (und doch immer noch nicht ausführlich genug) Mail zu beschließen, hänge ich noch drei Literatur-Empfehlungen für 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 eröffnen 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 bis- her genauesten Vergleiche der Eigenschaften von Materie und Antimaterie.