Quelltext der Seite Antimaterie

'''Antimaterie''' ist [[Materie (Physik)|Materie]], die aus [[Antiteilchen]] besteht. Anti-[[Atom]]e haben [[Atomhülle]]n aus [[Positronen]] und [[Atomkern]]e aus [[Antiproton]]en und ggf. [[Antineutron]]en.

Anti-Atome und -Moleküle sind in der Natur unbekannt und können nur in aufwendigen Experimenten hergestellt werden. Dagegen entstehen leichte Anti''teilchen'' in der Natur aus der [[Höhenstrahlung]] und beim [[Beta-Plus-Zerfall]]. Es gibt auch kurzlebige [[exotische Atome]] wie [[Positronium]] aus einem [[Elektron]] und einem Positron und [[Molekül]]e wie [[Positronium#Di-Positronium|Di-Positronium]] aus zwei Positroniumatomen.

Antiteilchen und auch Anti-Atome können in [[Paarbildung (Physik)|Paarbildungsreaktionen]] mittels [[Teilchenbeschleuniger]]n erzeugt werden. Mit kleinerem Aufwand können Positronen durch Herstellung [[Betazerfall|beta-plus-aktiver]] [[Radionuklid]]e gewonnen werden. Diese [[Positron]]enstrahlung ermöglicht in der modernen Medizintechnik das wichtige bildgebende Echtzeit-Verfahren der [[Positronen-Emissions-Tomographie]] (PET).

Wenn ein Materieteilchen und sein Antiteilchen aufeinander treffen, können sie in einer [[Annihilation]]s-Reaktion „zerstrahlen“. Dabei tritt  die gesamte in den Teilchen steckende Energie in anderer Form wieder auf, und u. U. können andere Teilchen entstehen.

== Geschichte ==
1898 verwendete der Physiker [[Arthur Schuster]] erstmals den Begriff Antimaterie in zwei Zuschriften an [[Nature]]. Er spekulierte über Sternensysteme aus Antimaterie, die von unserer Materie durch Beobachtung nicht unterscheidbar wären. Schon vorher hatten [[Karl Pearson]] 1892 und [[William Mitchinson Hicks]] in den 1880er Jahren von möglicher „negativer Materie“ gesprochen.<ref>S. Sahoo, R. K. Agrawalla, M. Goswami: {{Webarchiv |wayback=20070630043148|url=http://physics.unipune.ernet.in/~phyed/23.4/23.4%20_Sahoo.pdf |text=''Antimatter in the Universe.''}} (PDF; 72&nbsp;kB)</ref>

1928 stellte [[Paul Dirac]] auf Grundlage der Arbeit von [[Wolfgang Pauli]] die gleichnamige [[Dirac-Gleichung]] auf,<ref>P. A. M. Dirac: ''The quantum theory of the electron.'' In: ''Proceedings of the Royal Society.'' Bd.&nbsp;117, 1928, S.&nbsp;610, Bd.&nbsp;118, S.&nbsp;351.</ref> eine relativistische, also auf der [[Spezielle Relativitätstheorie|speziellen Relativitätstheorie]] beruhende [[Wellengleichung]] 1.&nbsp;Ordnung zur Beschreibung des [[Elektron]]s. Auf der Grundlage dieser Gleichung sagte Dirac die Existenz des [[Positron]]s als Antiteilchen zum Elektron voraus. Vereinfacht gesagt besteht im sogenannten [[Dirac-Bild]] der [[Quantenfeldtheorie]] das Vakuum aus einem randvoll gefüllten [[Dirac-See]] von Elektronen. Ein durch [[Paarerzeugung]] entstandenes Elektron-Positron-Paar besteht aus dem Elektron, das durch Anregung (d.&nbsp;h. Energiezufuhr) aus diesem Diracsee herausgeholt wurde, und dem hinterlassenen „Loch“, das das Positron darstellt. Heute werden nach der [[Feynman-Stückelberg-Interpretation]] die Zustände negativer Energie als [[Erzeugungsoperator]]en für Antiteilchen ''positiver'' Energie interpretiert, wodurch der Dirac-See unnötig geworden ist.<ref>Luis Alvarez-Gaume, Miguel A. Vazquez-Mozo: ''Introductory Lectures on Quantum Field Theory.'' {{arxiv|hep-th/0510040}}</ref>

1932 wurde das Positron als erstes Antiteilchen von [[Carl David Anderson]] in der [[Kosmische Strahlung#Teilchenschauer|kosmischen Strahlung]] nachgewiesen.<ref>Edward Robert Harrison: ''Cosmology: the science of the universe.'' 2. Auflage. Cambridge University Press, 2000, ISBN 0-521-66148-X, S.&nbsp;266, 433. ({{Google Buch|BuchID=-8PJbcA2lLoC|Linktext=online}}, abgerufen 30. September 2009)</ref> Auch [[Antimyon]]en werden von der kosmischen Strahlung erzeugt, wenn sie in die Erdatmosphäre eindringt.

Eine Arbeitsgruppe unter [[Walter Oelert]] vom [[Forschungszentrum Jülich]] wies 1995 als erste am [[Low Energy Antiproton Ring]] (LEAR) des [[CERN]] einige [[Antiwasserstoff]]-Atome nach, also gebundene Systeme aus einem Antiproton und einem Positron.<ref>[http://ikpe1101.ikp.kfa-juelich.de/ps210/home_german.html Beschreibung des Experiments]</ref> In den beiden folgenden Jahren wiederholten Forscher am [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]] in den USA das Experiment.

Ende 2009 wurden vom Weltraumteleskop [[Fermi Gamma-ray Space Telescope|Fermi]] überraschenderweise bei [[Gewitter]]n Positronen entdeckt; das [[Teleskop]] sollte eigentlich nur dazu dienen, nach Gammastrahlung zu suchen.<ref>[http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/fermi-thunderstorms.html nasa.gov] [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]]-Meldung (engl.), zuletzt abgerufen am 11.&nbsp;Januar 2011.</ref>

2010 wurden am CERN im Projekt [[ALPHA (CERN)|ALPHA]] 38&nbsp;Antiwasserstoff-Atome nachgewiesen, die für 172 Millisekunden in einer [[Magneto-optische Falle|magnetischen Falle]] eingefangen waren. Für eine spektroskopische Untersuchung werden jedoch deutlich größere Mengen benötigt.<ref>G. B. Andresen u.&nbsp;a.: [http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature09610.html ''Trapped antihydrogen.''] In: ''Nature.'' 17. November 2010. [[doi:10.1038/nature09610]] (engl.)</ref><ref>[https://www.heise.de/newsticker/meldung/Speicher-fuer-Antimaterie-1138658.html ''Speicher für Antimaterie.''] bei: ''[[heise online]].'' vom 18.&nbsp;November 2010.</ref> Am Nachfolgeexperiment ALPHA-2 gelang 2016 schließlich eine [[Laserspektroskopie|laserspektroskopische]] Untersuchung des 1S–2S-Übergangs. Wie vom [[CPT-Theorem]] vorhergesagt stimmen die Spektrallinien von Wasserstoff und Antiwasserstoff bis zu einer Genauigkeit von 2×10<sup>−10</sup> überein.<ref>{{Literatur|Autor=M. Ahmadi, B. X. R. Alves, C. J. Baker, W. Bertsche, E. Butler, A. Capra, C. Carruth, C. L. Cesar, M. Charlton, S. Cohen, R. Collister, S. Eriksson, A. Evans, N. Evetts, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, A. Gutierrez, J. S. Hangst, W. N. Hardy, M. E. Hayden, C. A. Isaac, A. Ishida, M. A. Johnson, S. A. Jones, S. Jonsell, L. Kurchaninov, N. Madsen, M. Mathers, D. Maxwell, J. T. K. McKenna, S. Menary, J. M. Michan, T. Momose, J. J. Munich, P. Nolan, K. Olchanski, A. Olin, P. Pusa, C. Ø. Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, D. M. Silveira, S. Stracka, G. Stutter, C. So, T. D. Tharp, J. E. Thompson, R. I. Thompson, D. P. van der Werf, J. S. Wurtele|Titel=Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen|Hrsg=|Sammelwerk=[[Nature]]|Band=Accelerated Article Preview Published|Nummer=|Auflage=|Verlag=|Ort=|Datum=2016-12-19|Seiten=|ISBN=|ISSN=1476-4687|DOI=10.1038/nature21040|Online=|Abruf=}}</ref>

Im April 2011 gelang es am CERN, 309 Antiwasserstoffatome bei einer Temperatur von etwa einem [[Kelvin]] fast 17 Minuten lang einzufangen, also 5800-mal so lang wie im November 2010.<ref name="arxivorg2011">{{Literatur|arxiv=1104.4982 |Titel=Cornell University Library: Confinement of antihydrogen for 1000 seconds |Autor=CERN, Makoto C. Fujiwara u.&nbsp;a. |Sprache= en}}</ref><ref name="SPON2011">{{Internetquelle |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,760355,00.html |titel=Physik-Rekord – Forscher fangen Antimaterie minutenlang ein |zugriff=2011-05-04 |autor=Markus Becker }}</ref> Dies wird von den Forschern des CERN und Kommentatoren allgemein als bedeutender Durchbruch beurteilt, der neue Möglichkeiten eröffnet, die Eigenschaften von Antimaterie zu erforschen. Dabei geht es zum Beispiel um mögliche Verletzungen von Symmetrien in der [[Teilchenphysik]]. Dies betrifft die Frage, warum nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie entstand.

Der bislang schwerste beobachtete Antimaterie-Atomkern war das ebenfalls im April 2011 am [[Relativistic Heavy Ion Collider]] erzeugte Anti-[[Helium|<sup>4</sup>He]].<ref>{{Internetquelle |url=http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,758838,00.html |titel=Forscher erzeugen Rekord-Antimaterie |zugriff=2011-04-25 |datum=2011-04-24 |titelerg=Teilchenphysik-Durchbruch |autor=Nina Weber |werk=Spiegel Online}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature10079.html |titel=Observation of the antimatter helium-4 nucleus |werk=nature |datum=2011-04-24 |zugriff=2011-04-25 |sprache=en}}</ref>

== Energiebilanz bei Reaktionen ==
Die Vernichtung (Annihilation) setzt die bei der Paarbildung als Masse gespeicherte [[Energie]] wieder frei. Bei der Elektron-Positron-Annihilation tritt diese als [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetische Strahlung]] auf, im Fall schwerer Teilchen (Proton-Antiproton) teilweise auch in Form anderer Teilchen mit hoher Bewegungsenergie. Dabei wird die gesamte [[Masse (Physik)|Masse]] des Teilchen-Antiteilchen-Paares umgesetzt und nicht nur, wie bei [[Kernspaltung]] und [[Kernfusion]], ein kleiner Bruchteil (siehe [[Massendefekt]]). Die Annihilation einer gegebenen Masse von 50 % Materie + 50 % Antimaterie würde also viel mehr Energie freisetzen als die Reaktion einer gleich großen Masse von Fusionsreaktor-Brennstoff. Beispielsweise würde die Annihilation eines Wasserstoffatoms mit einem Anti-Wasserstoffatom die Energie 1,88 [[Elektronenvolt|GeV]] liefern; die Fusion eines [[Deuterium]]kerns mit einem [[Tritium]]kern liefert dagegen nur 17,6 MeV, also etwa ein Hundertstel.

Wegen dieser hohen ''Speicher''wirkung für Energie ist über Nutzungen von Antimaterie (in Form von Positronen) für Waffenzwecke nachgedacht worden.<ref>Keay Davidson: [http://www.sfgate.com/cgi-bin/article.cgi?file=/c/a/2004/10/04/MNGM393GPK1.DTL ''Air Force pursuing antimatter weapons / Program was touted publicly, then came official gag order.''] In: ''San Francisco Chronicle.'' 4. Oktober 2004. (engl.)</ref> In der Raumfahrt wurde mehrfach über den möglichen Nutzen für [[Antriebsmethoden für die Raumfahrt#Antimaterieantrieb|Antriebssysteme]] diskutiert.<ref>[http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/prop12apr99_1/ Reaching for the Stars]; [http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/prop06apr99_1a/ Far Out Space Propulsion Conference Blasts Off] science.nasa.gov, abgerufen am 25. Mai 2012.</ref><ref>[http://www.daviddarling.info/encyclopedia/A/antimatterprop.html antimatter propulsion] daviddarling.info</ref> Wissenschaftler an der [[Pennsylvania State University]] untersuchten in den Projekten ''AIMStar'' und ''ICAN-II'' in den 1990er Jahren theoretische Konzepte.<ref>{{Webarchiv |archive-is=20120728202108 |url=http://www.engr.psu.edu/antimatter/introduction2.html |text=Antimatter propulsion at Penn State University}}; [[:en:AIMStar|AIMStar]], [[:en:ICAN-II|ICAN-II]], en.wp</ref><ref>K. F. Long: ''Deep Space Propulsion: A Roadmap to Interstellar Flight.'' Springer, 2011, S.&nbsp;229&nbsp;ff. ({{Google Buch |BuchID=EAD2-GrarkEC |Seite=229 |Hervorhebung=deep space propulsion Long a roadmap Aimstar |Linktext=online}}, abgerufen am 25. Mai 2012)</ref> Bislang gibt es jedoch kein realistisches Konzept, wie für solche technischen Zwecke genügende Mengen von Antimaterie hergestellt, gelagert und transportiert werden könnten.

Als eine [[Energiequelle|Energie''quelle'']] wird künstlich erzeugte Antimaterie nie genutzt werden können: Für die Erzeugung wird immer mindestens so viel Energie benötigt, wie die Vernichtung wieder freisetzt. Aus technischen Gründen läge außerdem der [[Wirkungsgrad]] bei der Erzeugung unter 100 %.

== Antimaterie im Universum ==
Die bisherigen Experimente und Theorien ergeben weitgehend identisches Verhalten von Materie und Antimaterie (siehe [[CP-Verletzung]]). Demnach sind nach dem heißen und dichten Anfangszustand des [[Universum]]s, dem [[Urknall]], Materie und Antimaterie in näherungsweise gleichen Mengen entstanden und kurz darauf wieder durch Annihilation „zerstrahlt“.

Andererseits zeigen aber alle bisherigen Beobachtungen im Kosmos nur die „normale“ Materie. Sie muss das Überbleibsel eines geringen Ungleichgewichts zu Beginn des Universums sein. Frühere Vermutungen, dass das Universum in einigen Bereichen mit Materie, in anderen mit Antimaterie gefüllt sei, gelten heute als unwahrscheinlich. Es wurde bislang keine Annihilationsstrahlung, die an den Grenzgebieten entstehen sollte, nachgewiesen. Auch die direkte Suche nach Anti-Helium-Atomen, die 1998 mit einem [[Alpha-Magnet-Spektrometer]] an Bord eines [[Space Shuttle]] erfolgte, zeigte in der kosmischen Höhenstrahlung keine Hinweise auf Antimaterie. Insgesamt wurden etwa drei Millionen Heliumatome nachgewiesen, darunter befand sich aber kein einziges Antiatom.<ref>[http://ams.cern.ch/AMS/Publications/ Publikationen der AMS-Kollaboration] (engl.)</ref>

Der Vergleich von Modellrechnungen im Rahmen der Urknalltheorie und astronomischen Messdaten ([[primordiale Nukleosynthese]], [[Wilkinson Microwave Anisotropy Probe|WMAP]]) spricht dafür, dass das Verhältnis von Materie und Antimaterie anfangs fast 1 zu 1 war. Ein winziges Ungleichgewicht – etwa 1 Teilchen Überschuss auf 1 Milliarde Teilchen-Antiteilchen-Paare – bewirkte, dass ein Rest an Materie übrig blieb, der in unserem heutigen Universum feststellbar ist. Dieses Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie ist eine der Voraussetzungen für die Stabilität des Universums und somit auch für das Leben auf der Erde. Bei genauem Gleichgewicht wären Materie und Antimaterie im Verlauf der Abkühlung des Universums vollständig in Strahlung umgewandelt worden.

Der Grund für dieses Ungleichgewicht ist eines der großen Rätsel der [[Elementarteilchenphysik]] und [[Kosmologie]]; es wird vermutet, dass erst vereinheitlichende Theorien (beispielsweise [[Stringtheorie]], [[M-Theorie]], [[Supersymmetrie]]) diese ungleiche Verteilung zufriedenstellend erklären werden. Eine der Voraussetzungen für ein Übergewicht von Materie ist die [[CP-Verletzung]] (siehe [[Baryogenese]]). Diese wurde zuerst bei [[Kaon]]en in den 1960er Jahren entdeckt. In den 1990er Jahren wurden am [[Stanford Linear Accelerator Center|SLAC]] in den USA 200 Millionen [[B-Meson]]-Anti-B-Meson-Paare erzeugt und untersucht, wie diese wieder zerfallen. Bei der Auswertung wurde festgestellt, dass die B-Mesonen etwa zweimal seltener in ein [[Pion]] und ein [[Kaon]] zerfallen als ihre Antiteilchen. Beim vorher untersuchten Kaonensystem lag der Unterschied bei vier zu einer Million.

== Antimaterie in der Science-Fiction ==
Antimaterie kommt in vielen Romanen und Filmen vor, wo ihre physikalischen Eigenschaften von den wirklichen abweichen können. In der Welt von [[Star Trek]] dient eine Materie-Antimaterie-Reaktion als Energiequelle für den fiktiven [[Warp-Antrieb]] zur Beschleunigung auf [[Überlichtgeschwindigkeit]] und auch als Waffe. In der [[Heftroman]]serie [[Perry Rhodan]] wird Antimaterie vielfältig benutzt, etwa um [[Gravitationswelle|Gravitations]]-[[Stoßwelle|Schockwellen]] abzustrahlen und so eine Nachricht zu übermitteln, vor allem aber als Basis für fortgeschrittene Waffensysteme und zur Energieerzeugung. Im Roman ''[[Illuminati (Buch)|Illuminati]]'' von [[Dan Brown]] haben Wissenschaftler des CERN sichtbare Mengen der Substanz hergestellt.

== Literatur ==
* Alban Kellerbauer: ''Antimaterie im Labor.'' In: ''Physik Journal.'' 13 (Juli 2014) 27, [http://www.pro-physik.de/details/physikjournalArticle/6290701/Antimaterie_im_Labor.html Physik Journal - Antimaterie im Labor - pro-physik.de]<br />Direkter Download vom Autor: [http://www.mpi-hd.mpg.de/kellerbauer/en/articles/2014/Kellerbauer_PhysikJournal_13-7_(2014)_27 Artikel (PDF; 1,24&nbsp;MB)].
* Alban Kellerbauer: ''Das Antimaterie-Rätsel.'' In: ''Physik in Unserer Zeit.'' 43 (Juli 2012) 174. [[doi:10.1002/piuz.201201305]]<br />Direkter Download vom Autor: [http://www.mpi-hd.mpg.de/kellerbauer/en/articles/2012/Kellerbauer_PhysUnsererZeit_43_(2012)_174.pdf Artikel (PDF; 803&nbsp;kB)].
* Helen R. Quinn, Yossi Nir: ''The mystery of the missing antimatter.'' Princeton Univ. Press, Princeton 2008, ISBN 978-0-691-13309-6.
* Alban Kellerbauer: ''Antimaterie – Spiegelbild oder Zerrbild.'' In: ''Physik in Unserer Zeit.'' 38 (Juli 2007) 168, [[doi:10.1002/piuz.200601134]]<br />Direkter Download vom Autor: [http://www.mpi-hd.mpg.de/kellerbauer/en/articles/2007/Kellerbauer_PhysUnsererZeit_38_(2007)_168.pdf Artikel] (PDF; 536&nbsp;kB), [http://www.mpi-hd.mpg.de/kellerbauer/en/articles/2007/Kellerbauer_PhysUnsererZeit_38_(2007)_168_Webtext.pdf zus. Kapitel] (PDF; 45&nbsp;kB).
* Dieter Grzonka, [[Walter Oelert]], Jochen Walz: ''Experimente mit der „Antiwelt“.'' In: ''Physik Journal.'' 5 Nr.&nbsp;3 (März 2006) 37, [http://www.pro-physik.de/details/articlePdf/1106075/issue.html (PDF, 0,9MB)]
* [[Dieter B. Herrmann]]: ''Antimaterie. Auf der Suche nach der Gegenwelt.'' 4. Auflage. Beck, München 2009, ISBN 978-3-406-44504-0.
* Gordon Fraser: ''Antimatter – the ultimate mirror.'' Cambridge Univ. Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-89309-7.
* [[Hannes Alfvén]]: ''Kosmologie und Antimaterie.'' Umschau-Verlag, Frankfurt am Main 1969
* [[Frank Close]]: ''Antimaterie.'' Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-8274-2531-7.

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* [http://www.drillingsraum.de/room-antimaterie/antimaterie.html Was ist Antimaterie? Populäre Erklärung mit Bildern]
* [http://science.orf.at/science/news/54687 Informationsangebot des orf]
* [http://www.mpe.mpg.de/18261/News_20110110 Satellit entdeckt Antimaterie über Gewitterwolken] (Pressemitteilung des [[Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik|Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik]])

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Teilchenphysik]]