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Antimaterie

Antimaterie ist Materie, die aus Antiteilchen aufgebaut ist, so wie die uns umgebende 'normale' Materie aus 'normalen' Teilchen besteht.

Auch wenn einige leichte Antiteilchen in der Natur allgegenwärtig sind, kommen z. B. ganze Atome aus Antimaterie in der Natur soweit bekannt nicht vor. Antimaterie lässt sich in Teilchenbeschleunigern erzeugen.

Ein Durchbruch in der künstlichen Erzeugung von Antimaterie gelang einer Arbeitsgruppe unter Walter Oelert vom Forschungszentrum Jülich 1995 am CERN in der Schweiz, als sie im Low Energy Antiproton Ring (LEAR) ein Antiwasserstoff-Atom erzeugten, das aus einem negativ geladenen Antiproton und einem positiv geladenen Positron bestand. In den beiden folgenden Jahren wiederholten Forscher am Fermilab in den USA das Experiment.

Die Kurzlebigkeit von Antimaterie in der von uns beobachtbaren Welt erklärt sich daraus, dass beim Aufeinandertreffen eines Teilchen-Antiteilchen-Paares sich beide gegenseitig annihilieren. Hierbei wird Energie freigesetzt, hauptsächlich in der Form von elektromagnetischer Strahlung, als Gammastrahlung. Diese Annihilation von Antiteilchen setzt sehr viel mehr Energie frei als es irgendein anderer Prozess mit gleichen Materiemengen könnte, wie chemische Prozesse oder auch Kernfusion. Die freiwerdende Energie lässt sich mit dem Einsteinschen Energieäquivalent E = mc2 berechnen. D.h., bei einem Kilogramm (z.B. 0,5 kg Deuterium + 0,5 kg Antideuterium) entsteht eine Energie von 1 kg · (300.000.000 m/s)² = 90.000.000.000.000.000 Joule (1 kg · (3 · 108 m/s)² = 9 · 1016 J = 21,5 MT). 2-stufige Wasserstoffbomben hatten bis zu 15 MT, die größte (Zar-Bombe, 3-stufig) hatte 57 MT (siehe Liste der Kernwaffentests).

Inhaltsverzeichnis

Antimaterie im Universum

In Teilchenbeschleunigerreaktionen zeigt sich, dass reine Energie (Photonenstrahlung, Bewegungsenergie …) immer paarweise zu gleichen Mengen in Materie und Antimaterie umgewandelt wird. Auch nach den bisher gefundenen theoretischen Gesetzen macht die Natur keinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie und behandelt beide vollkommen gleichwertig.

Somit sollte man erwarten, dass nach dem heißen und dichten Anfangszustand des Universums (Urknall) Materie und Antimaterie in gleichen Mengenverhältnissen entstanden und noch heute vorzufinden sind. Trotzdem zeigen alle bisherigen Beobachtungen im Kosmos nur eine Form, naheliegend Materie genannt. Dieses offensichtliche 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.

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.

Das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie ist eine der Voraussetzungen für die Stabilität unseres Universums, und somit auch für das Leben auf der Erde. Hätte sich ein genaues Gleichgewicht von Materie und Antimaterie ergeben, so wäre alle Materie nach der Abkühlung des Universums wieder mit der Antimaterie in Strahlung umgewandelt worden.

Die sogenannte kosmische Hintergrundstrahlung lässt sich sehr gut mit der Urknalltheorie als Relikt aus der zeitlichen Epoche deuten, als die beim Urknall entstandene Materie mit der Antimaterie wieder vernichtet wurde. Der Vergleich von Modellrechnungen und astronomisch gemessenen Daten (primordiale Nukleosynthese, WMAP) untermauern diejenige These, nach der es anfänglich ein fast gleiches Verhältnis von Materie und Antimaterie gegeben haben muss. Lediglich ein winziges Ungleichgewicht von 1.000.000.001 Teilchen über 1.000.000.000 Antiteilchen bewirkte, dass ein Rest an Materie übrig blieb, der unser heutiges Universum ausmacht.

Neueste Untersuchungen bestätigen die Bevorzugung der Materie im Universum. Am SLAC in den USA wurden 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 weniger in ein Pion und ein Kaon zerfallen als deren Antiteilchen. In der Vergangenheit wurde dieser Effekt, der CP-Verletzung genannt wird, schon bei Kaonen untersucht. Allerdings liegt der Unterschied dort bei 4 in einer Million.

Wirtschaftliche Nutzbarkeit der Antimaterie

Theoretisch könnte man mit 15 kg Antiwasserstoff den gesamten Energieverbrauch der privaten Haushalte in Deutschland (2005) abdecken. 1 kg Antimaterie hat ein Energieäquivalent von 9 · 1016 Joule; zusammen mit 1 kg Materie entspricht dies 50 Milliarden kWh.

An eine wirtschaftliche Nutzung im Sinne eines Antimaterie-Kraftwerks ist aber nicht zu denken, da Antimateriepartikel auf der Erde derzeit nur unter immensem Energieaufwand hergestellt werden können. Antimaterie könnte erst dann zur Erzeugung wirtschaftlich nutzbarer Energieformen (Energiegewinnung) genutzt werden, wenn man größere Mengen davon im Weltall fände – nach dem heutigen Stand der Wissenschaft ist aber im Umkreis von einigen Milliarden Lichtjahren keine vorhanden.

Da Berührung mit jeglicher Form von Materie zur Annihilation führt, ist das Einfangen der Antimaterie in einem elektromagnetischen Feld die einzig mögliche Speicherform. Dazu bräuchte man einen Behälter, in dem sich zwei Magnetfelder überschneiden, damit die Antimaterie in einen schwebeähnlichen Zustand versetzt würde. Das funktioniert aber nur bei Antiprotonen oder Positronen, denn Antineutronen besitzen keine elektrische Ladung und können daher nicht elektromagnetisch eingefangen werden. Ferner ist es heute undenkbar, eine größere Menge Antiprotonen zusammen einzufangen, da diese sich durch ihre Wechselwirkung stark voneinander abstoßen.

Trivia

Literatur