Antimaterie
Nach dem ich das letzte Mal über dunkle Materie geschrieben habe, möchte ich heute über eine weitere mysteriöse Substanz unseres Universums berichten: Antimaterie
In Filmen dient sie als Antrieb für Raumschiffe oder als Waffe um den Vatikan zu vernichten, aber wie viel Physik steckt hinter diesen Ideen?
Um zu verstehen, was Antimaterie ist, müssen wir zunächst verstehen, woraus gewöhnliche Materie aufgebaut ist. Die Hypothese, dass Materie aus Atomen besteht, ist inzwischen seit mehreren Jahrhunderten anerkannt. Allerdings hat sich das, was Physiker sich darunter vorstellen, stark gewandelt.
Zunächst stellten sich Wissenschaftler unter dem Begriff Atom massive, unteilbare Kugeln vor. Aber als Rutherford Anfang des 20. Jahrhunderts eine dünne Goldfolie mit Heliumkernen beschoss, die sehr viel kleiner sind, als die Goldatome, stellte er fest, dass fast alle Heliumkerne die Folie ohne Ablenkung durchdrangen, nur wenige wurden daran gestreut. Daraus schloss Rutherford, dass die Masse des Goldatoms in einem sehr kleinen Kern zentriert ist. Dieser ist positiv geladen. Drumherum befindet sich die Hülle, in dem sich die negativ geladenen Elektronen bewegen, sodass das Atom nach außen ungeladen erscheint. Bei weiteren Experimenten entdeckte er die positiven Teilchen des Kerns, die Protonen. Noch heute werden Streuexperimente, bei der man entweder Teilchen auf ein festes Ziel oder zwei Teilchenstrahlen aufeinander schießt, verwendet um mehr über die kleinsten Bausteine unseres Universums zu lernen.
Das einfachste der Atome ist das Wasserstoffatom, bestehend aus einem Proton im Kern und einem negativen Elektron. Allerdings gab die Beschreibung der Bewegung des Elektrons den Physikern Rätsel auf. Modelle, die die Beschreibung beobachteter Eigenschaften ermöglichten, stellten Widersprüche zur bisher bekannten Physik dar, unter anderem zur Elektrodynamik, der Theorie der bewegten Ladungen.
Als Dirac eine Beschreibung für das Elektron im Einklang mit der von Einstein postulierten speziellen Relativitätstheorie fand (und damit die relativistische Quantenmechanik begründete), besagte seine Theorie, dass es zum Elektron ein Teilchen mit entgegengesetzter Ladung und entgegengesetztem magnetischem Moment, aber ansonsten identischen Eigenschaften geben müsste. Dieses Antiteilchen zum Elektron bekam den Namen Positron und wurde nur drei Jahre später von Anderson in kosmischer Strahlung nachgewiesen.
Die Dirac-Gleichung gilt aber nicht nur für Elektronen. Aus ihr kann man folgern, dass es zu jedem Baustein unserer Materie ein Antiteilchen gibt. Die Jagd nach diesen begann. Es dauerte 20 Jahre bis das Antiproton gefunden wurde. Das Antiproton konnte nicht in natürlicher Strahlung nachgewiesen werden, sondern wurde künstlich erzeugt, in dem schnelle Protonen auf Kupfer geschossen wurden.
Lange lebten diese Antiprotonen allerdings nicht. Denn bei Kontakt zwischen Materie und Antimaterie, werden beide Teilchen vernichtet. Daher ist die Untersuchung von Antimaterie alles andere als einfach.
1995 gelang es Forschern am CERN einige wenige Antiwasserstoffatome herzustellen. Also ein Positron, das sich um ein Antiproton bewegt, wie im Wasserstoffatom das Elektron um das Proton. Das schwerste bisher erzeugte Antiteilchen ist das Antiheliumatom. Für die Erzeugung schwerer Kerne müssen noch sehr viel größere Beschleuniger gebaut werden als die aktuell verfügbaren, um noch höhere Energiedichten erzeugen zu können.
Aber warum ist Antimaterie eigentlich so interessant, dass so viel Aufwand betrieben wird, um sie herzustellen und zu untersuchen?
Die meisten Physiker gehen davon aus, dass nach dem Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen erzeugt wurden. Aus unseren jetzigen Beobachtungen lässt sich aber vermuten, dass es im heutigen Universum fast nur noch Materie gibt. Wie es dazu kam, lässt sich nur spekulieren.
Also versuchen Physiker weiter Antimaterie herzustellen und zu testen, ob sie wirklich genau den Gesetzen folgt, wie wir sie von Materie kennen oder ob es Wechselwirkungen mit Antimaterie gibt, die uns bisher noch nicht bekannt sind. Dazu wird auch im Weltraum nach Antimaterie gesucht und die dort schon gefundenen Positronen werden genauer analysiert. Immer mit dem Ziel unser Universum vom Ursprung bis in die Gegenwart, von den Galaxien bis zu den kleinsten Teilchen besser zu verstehen.
Was dunkle Materie und Antimaterie mit meinem Projekt auf Hawaii zu tun haben, erzähle ich dann im nächsten Beitrag.
In Filmen dient sie als Antrieb für Raumschiffe oder als Waffe um den Vatikan zu vernichten, aber wie viel Physik steckt hinter diesen Ideen?
Um zu verstehen, was Antimaterie ist, müssen wir zunächst verstehen, woraus gewöhnliche Materie aufgebaut ist. Die Hypothese, dass Materie aus Atomen besteht, ist inzwischen seit mehreren Jahrhunderten anerkannt. Allerdings hat sich das, was Physiker sich darunter vorstellen, stark gewandelt.
Zunächst stellten sich Wissenschaftler unter dem Begriff Atom massive, unteilbare Kugeln vor. Aber als Rutherford Anfang des 20. Jahrhunderts eine dünne Goldfolie mit Heliumkernen beschoss, die sehr viel kleiner sind, als die Goldatome, stellte er fest, dass fast alle Heliumkerne die Folie ohne Ablenkung durchdrangen, nur wenige wurden daran gestreut. Daraus schloss Rutherford, dass die Masse des Goldatoms in einem sehr kleinen Kern zentriert ist. Dieser ist positiv geladen. Drumherum befindet sich die Hülle, in dem sich die negativ geladenen Elektronen bewegen, sodass das Atom nach außen ungeladen erscheint. Bei weiteren Experimenten entdeckte er die positiven Teilchen des Kerns, die Protonen. Noch heute werden Streuexperimente, bei der man entweder Teilchen auf ein festes Ziel oder zwei Teilchenstrahlen aufeinander schießt, verwendet um mehr über die kleinsten Bausteine unseres Universums zu lernen.
Das einfachste der Atome ist das Wasserstoffatom, bestehend aus einem Proton im Kern und einem negativen Elektron. Allerdings gab die Beschreibung der Bewegung des Elektrons den Physikern Rätsel auf. Modelle, die die Beschreibung beobachteter Eigenschaften ermöglichten, stellten Widersprüche zur bisher bekannten Physik dar, unter anderem zur Elektrodynamik, der Theorie der bewegten Ladungen.
Als Dirac eine Beschreibung für das Elektron im Einklang mit der von Einstein postulierten speziellen Relativitätstheorie fand (und damit die relativistische Quantenmechanik begründete), besagte seine Theorie, dass es zum Elektron ein Teilchen mit entgegengesetzter Ladung und entgegengesetztem magnetischem Moment, aber ansonsten identischen Eigenschaften geben müsste. Dieses Antiteilchen zum Elektron bekam den Namen Positron und wurde nur drei Jahre später von Anderson in kosmischer Strahlung nachgewiesen.
Die Dirac-Gleichung gilt aber nicht nur für Elektronen. Aus ihr kann man folgern, dass es zu jedem Baustein unserer Materie ein Antiteilchen gibt. Die Jagd nach diesen begann. Es dauerte 20 Jahre bis das Antiproton gefunden wurde. Das Antiproton konnte nicht in natürlicher Strahlung nachgewiesen werden, sondern wurde künstlich erzeugt, in dem schnelle Protonen auf Kupfer geschossen wurden.
Lange lebten diese Antiprotonen allerdings nicht. Denn bei Kontakt zwischen Materie und Antimaterie, werden beide Teilchen vernichtet. Daher ist die Untersuchung von Antimaterie alles andere als einfach.
1995 gelang es Forschern am CERN einige wenige Antiwasserstoffatome herzustellen. Also ein Positron, das sich um ein Antiproton bewegt, wie im Wasserstoffatom das Elektron um das Proton. Das schwerste bisher erzeugte Antiteilchen ist das Antiheliumatom. Für die Erzeugung schwerer Kerne müssen noch sehr viel größere Beschleuniger gebaut werden als die aktuell verfügbaren, um noch höhere Energiedichten erzeugen zu können.
Aber warum ist Antimaterie eigentlich so interessant, dass so viel Aufwand betrieben wird, um sie herzustellen und zu untersuchen?
Die meisten Physiker gehen davon aus, dass nach dem Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen erzeugt wurden. Aus unseren jetzigen Beobachtungen lässt sich aber vermuten, dass es im heutigen Universum fast nur noch Materie gibt. Wie es dazu kam, lässt sich nur spekulieren.
Also versuchen Physiker weiter Antimaterie herzustellen und zu testen, ob sie wirklich genau den Gesetzen folgt, wie wir sie von Materie kennen oder ob es Wechselwirkungen mit Antimaterie gibt, die uns bisher noch nicht bekannt sind. Dazu wird auch im Weltraum nach Antimaterie gesucht und die dort schon gefundenen Positronen werden genauer analysiert. Immer mit dem Ziel unser Universum vom Ursprung bis in die Gegenwart, von den Galaxien bis zu den kleinsten Teilchen besser zu verstehen.
Was dunkle Materie und Antimaterie mit meinem Projekt auf Hawaii zu tun haben, erzähle ich dann im nächsten Beitrag.
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