Antimaterie

Vortrag von Benjamin SpilkerUniversität Bielefeld

Inhaltsübersicht

• Was ist Antimaterie?• Ihre Geschichte– Vorhersage ihrer Existenz durch Dirac– Nachweis durch Anderson

• Anwendungen– Herstellung– Antrieb / Waffe

• Aktuelle Forschung• Zusammenfassung

Was ist Antimaterie?

Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit identischer Masse und Spin, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen bei der Ladung bzw. bestimmten Quantenzahlen⁰

Ein Antiproton ist zusammen mit einem gebundenen Positron ein Antiatom

Mehrere Antiatome zusammen können als Antimaterie bezeichnet werden

___________________[0] David Halliday. Physik. Wiley-VCH Verlag 2003

Geschichte der Antimaterie

Schrödinger-Gleichung (SG) 1926 war zunächst Höhepunkt der neuen QM¹, aber die spezielle Relativitätstheorie war nicht enthalten

Dirac stellte 1928 Wellengleichung (DG) für Fermionen (insb. Elektronen) auf

Großer Erfolg: Elektronenspin S=½ħ folgte automatisch aus ihr

___________________[1] http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v5.pdf

Paul A.M. Dirac 1902 - 1984

Nachteil der DG: Struktur der Gleichung, 4x4 Matrizen mit Viererspinor { Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4} als Lösung

( 1/c ∂/∂t + ∂/∂x + ∂/∂y + ∂/∂z - i/ħ m) Ψ = 0 (1.1)Mit den Gamma-Matrizen sind die Pauli-Matrizen:

z.B.: 0 0 0 i0 0 -i 00 -i 0 0i 0 0 0

Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3}

erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)

Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3}

erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)

handlicher: Mit Coulombpotential für ein gebundenes Elektron kann die komplizierte DG in 2 gekoppelte Gleichungen aufgespalten werden: c σp ψS + mc2 ψL + VC ψL = E ψL (1.3)

c σp ΨL - mc2 ΨS - VC ΨS = E ΨS

mit p: dreier Impuls; ψL / ΨS : 2 Komponentige Spinoren, die den Spin parallel/antiparallel zum Impuls p angeben

Für Lösungen mit positiver Energie E und schwachem Potential ist ΨS um kleiner als ψL und kann vernachlässigt werdenFür ein freies Elektron ( =0) ergeben sich die

Eigenwerte E: E = + c {p²+ m²c²}1/2 bzw.

E = - c {p²+ m²c²}1/2 (1.4)Für ≠0 ergeben sich gebundene Zustände mit

–mc² < E < +mc²

Negative Eigenwerte? Loch zwischen den Energielösungen?

Dirac hat sie nicht wie üblich einfach als „unphysikalisch“ verworfen

Für eine sinnvolle Erklärung postulierte er:- 1. alle negativen Energiezustände sind mit der

nach dem Pauli-Prinzip möglichen Anzahl an Elektronen besetzt

- 2. man kann 1. nur beobachten, wenn man eines dieser Elektronen in das positive Energiekontinuum befördert; Das entstehende „Loch“ im negativen Energiekontinuum hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron, bis auf die entgegengesetzte Elementarladung; damit ist das Positron das Antiteilchen zum Elektron

- 3. Wenn ein Elektron auf ein Positron trifft, zerstrahlen sie in zwei entgegengesetzte Gammaquanten, deren Energie der Ruheenergie für ein solches Paar entspricht (jeweils 511keV)

- 4. Punkt 3. gilt für alle Fermionen, auch Proton/Antiproton (Energie hier jeweils 938MeV)

___________________http://svs.gsfc.nasa.gov/search/Keyword/index.html

Der Nachweis durch Anderson

Viele wollten Diracs Behauptung beweisen, Carl David Anderson war der schnellste

Anderson verwendete die 1910 von Wilson erfundene Nebelkammer

Carl David Anderson 1905 – 1991 Nebelkammer von Wilson Schematisch

Für einen Kreisbogen mit Radius ρ ergibt sich aus der Bedingung

(1.5)

Stärke und Richtung von B bekannt -> mit ρ kann man nur den Impuls (m v) des ∙unbekannten Teilchens bestimmen

Daraus ergeben sich drei Probleme:

- 1. Was kann man als Positronenquelle nutzen?- 2. Bestimmung des Vorzeichens der Ladung;

Aus welcher Richtung fällt das Teilchen ein?- 3. Wie kann man Positron mit von einem

Proton unterscheiden?

Ad 1: -Zerfall 2 Jahre zuvor entdeckt, -Zerfall ( p -> n + + ) leider noch

nicht (man hätte perfekt -Quelle nutzen können)

Anderson sucht Positron in kosmischer Strahlung

Ad 2: Anderson teilt die Nebelkammer durch eine 6mm dicke BleiplatteBahnkrümmung vor Durchgang durch die Platte

geringer als hinterherEinfallrichtung des Teilchens festgelegt

Ad 3: Protonen und Positronen haben unterschiedliche Reichweite in der NebelkammerAbschätzung der Masse des unbekannten

Teilchens nach oben hin möglich

Das neu entdeckte Teilchen musste das von Dirac postulierte Positron sein:

1932 erstmalig in der Geschichte der Physik Antimaterie entdeckt

Heute hat man für alle stabilen und instabilen Elementarteilchen ihre Antiteilchen gefunden und genau vermessen

Erzeugung eines Elektronen-Positronen Paares in einer Blasenkammer

Anwendungen der Antimaterie-Technologie

Antimaterie spielt große RolleBsp.: Positron-Emissions-Tomographie (PET)

aktive C-, O- oder Fluor Nuklide werden in das Gehirn injiziert

Nachweis der 511keV Vernichtungsstrahlung liefert sehr präzise Daten

PET-“Kamera“ aus segmentierten - Detektoren

Mit PET gemessene Hirn-Aktivitäten

Lokale β+ -Aktivität um das rote Fadenkreuz beim Beschuss eines Gehirntumors mit hochenergetischen 12C6+-Ionen (GSI Darmstadt)

Herstellung von Antimaterie - CERN

CERN ist die Europäische Organisation für Kernforschung²Betreibt physikalische Grundlagenforschung Sehr bekannt für riesigen Teilchenbeschleuniger20 Mitgliedsstaaten, 3400 MitarbeiterJahresbudget 2008: 694 Mio. €Weltweit führende Institution in der Herstellung

von Antimaterie

___________________[2] http://www.cern.de/

Teilchenbeschleuniger des CERN

1995 gelang erstmalig die Herstellung von Antiwasserstoff

Herstellungsprozess:Teilchen werden extrem beschleunigt und auf

Metall gefeuertEs entstehen Protonen und AntiprotonenIn langem System werden extrem schnelle

Antiprotonen gebremst und mit starken Magnetfeldern eingefangen

Zusätzlich werden Positronen für Antiwasserstoff benötigt

Wirkungsgrad:

Herstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff würde ~Trillionen US $ kosten

Maximale Produktion: Weniger als 100 Antiwasserstoffatome pro SekundeHerstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff nicht

nur enorm teuer sondern auch langwierig

Antimaterie-Antrieb

Idee in Sci-Fi Welt weit verbreitetBekanntestes Schiff mit Antimaterie-Antrieb:

Raumschiff EnterpriseExtrem effektiv und hochenergetisch:

Aus 1 Mikrogramm Antimaterie lassen sich 180 Mega Joules gewinnen

1 Gramm Antimaterie kommt 23 Tankfüllungen eines Space Shuttle gleich³

___________________[3] http://www.heise.de/tp/r4/artikel/18/18486/1.html

Schema eines Antimaterie-Triebwerks

Ein Antimaterie-Antrieb wäre nicht nur aufgrund der geringen Treibstoffmenge hochinteressant, er ist auch extrem schnell17 Gramm Antimaterie genügen um Robotersonde

in 40 Jahren nach Alpha Centauri zu schicken (4,34 Lichtjahre entfernt)

Antimaterie als Waffe / Bombe

Eine Bombe mit Antimaterietechnologie hätte besondere Vorteile⁴Man benötigt nur winzige Mengen für eine

verheerende ZerstörungswirkungAnnihilationsenergie wird sehr leicht frei -> kein

Zündmechanismus erforderlich„Saubere“ Bombe: Radioaktive Verseuchung sehr

viel geringer bzw. nicht vorhanden

___________________[4] http://www.zeit-fragen.ch/ausgaben/2008/nr38-vom-1592008/cern-forschung-fuer-antimaterie-bomben/

Antimaterie Detektoren außerhalb der Erde?

Aufwändig, aber eventuelle Antiteilchen würden sonst direkt in der Atmosphäre annihilieren

Hochinteressant: Fund eines Antikohlenstoffkernes⁵Kohlenstoff entsteht im Inneren von SternenWird bei Explosion ins All geschleudertAntikohlenstoff käme aus einem Stern, der

ausschließlich aus Antimaterie besteht___________________[5] http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/452198/

Neutronenexperiment des PTB 2008

Physikalisch Technische Bundesanstalt⁶Untersuchung der Stärke des elektrischen

Dipolmoments von NeutronenNeutron enthält positiv und negativ geladene QuarksLiefert eventuelle Erkenntnisse über die Unterschiede

von Materie und AntimateriePTB hat in Berlin den magnetisch ruhigsten Ort der

Erde erschaffenErmöglicht hochpräzise Messungen im

Neutronenexperiment___________________[6] http://idw-online.de/pages/de/news271952

Bild der Begehbaren Kabine aus Mumetall⁷ (enthält 78% Nickel, 16% Eisen, 4% Kobalt)

Sammelt das Magnetfeld und lotst es um die Kabine herum

___________________[7] http://www.ptb.de/de/publikationen/blickpunkt/biomagnetismus/magnetischeruhe.html

Größte Frage zu Antimaterie

Beim Urknall müssen riesige Mengen Antimaterie entstanden sein (physikalische Symmetrie)

Anstelle von Galaxien, Sternen und Menschen (Materie) müsste das Universum nur von Licht erfüllt sein

Wohin ist die Antimaterie?Warum hat Materie sich durchgesetzt?

Zusammenfassung

Antimaterie Spiegelbild zur normalen Materie1928 von Dirac vorhergesagt1932 von Anderson nachgewiesenAnwendungen als Antrieb/Waffe höchst

interessant, Wirkungsgrad macht das aber noch utopisch

Forschungszweig mit extrem hohem PotentialFrage nach dem Verbleib der Antimaterie eine

der wichtigsten des 21. Jahrhunderts