Antimaterie - Antimatter

Ein Nebelkammerfoto des ersten beobachteten Positrons , 2. August 1932.

In der modernen Physik wird Antimaterie als Materie definiert , die aus den Antiteilchen (oder "Partnern") der entsprechenden Teilchen in "normaler" Materie besteht. An Teilchenbeschleunigern – die künstliche Gesamtproduktion betrug nur wenige Nanogramm – und in natürlichen Prozessen wie Kollisionen mit kosmischer Strahlung und einigen Arten von radioaktivem Zerfall werden täglich winzige Mengen an Antiteilchen erzeugt , aber nur ein winziger Bruchteil davon wurde in Experimenten erfolgreich miteinander verbunden um Antiatome zu bilden. Keine makroskopische Menge von Anti - Materie hat jemals wegen der extrem Kosten und Schwierigkeiten der Herstellung und Handhabung montiert.

Theoretisch haben ein Teilchen und sein Antiteilchen (zum Beispiel ein Proton und ein Antiproton ) die gleiche Masse , aber entgegengesetzte elektrische Ladung und andere Unterschiede in den Quantenzahlen . Zum Beispiel hat ein Proton eine positive Ladung, während ein Antiproton eine negative Ladung hat.

Eine Kollision zwischen einem Teilchen und seinem Antiteilchen-Partner führt zu ihrer gegenseitigen Vernichtung , wodurch verschiedene Anteile intensiver Photonen ( Gammastrahlen ), Neutrinos und manchmal weniger massive Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen. Der Großteil der Gesamtenergie der Vernichtung entsteht in Form von ionisierender Strahlung . Wenn umgebende Materie vorhanden ist, wird der Energieinhalt dieser Strahlung absorbiert und in andere Energieformen wie Wärme oder Licht umgewandelt. Die Menge an Energie , die freigesetzt wird in die Regel proportional zur Gesamtmasse der kollidierten Materie und Antimaterie in Übereinstimmung mit der bemerkenswerten Masse-Energie - Äquivalenzgleichung E = mc 2 .

Antimaterie-Teilchen binden sich miteinander, um Antimaterie zu bilden, so wie sich gewöhnliche Teilchen zu normaler Materie binden. Zum Beispiel können ein Positron (das Antiteilchen des Elektrons ) und ein Antiproton (das Antiteilchen des Protons) ein Antiwasserstoffatom bilden. Die Kerne von Antihelium wurden, wenn auch mit Schwierigkeiten, künstlich hergestellt und sind die komplexesten Anti-Kerne, die bisher beobachtet wurden. Physikalische Prinzipien weisen darauf hin, dass komplexe Antimaterie-Atomkerne möglich sind, sowie Antiatome, die den bekannten chemischen Elementen entsprechen.

Es gibt starke Beweise dafür, dass das beobachtbare Universum fast ausschließlich aus gewöhnlicher Materie besteht, im Gegensatz zu einer gleichen Mischung aus Materie und Antimaterie. Diese Asymmetrie von Materie und Antimaterie im sichtbaren Universum ist eines der großen ungelösten Probleme der Physik . Der Prozess, durch den diese Ungleichheit zwischen Materie und Antimaterie-Teilchen entsteht, wird Baryogenese genannt .

Definitionen

Antimaterie-Teilchen können durch ihre negative Baryonen- oder Leptonenzahl definiert werden , während "normale" (Nicht-Antimaterie-) Materieteilchen eine positive Baryonen- oder Leptonenzahl haben. Diese beiden Teilchenklassen sind die Antiteilchen-Partner voneinander. Ein „ Positron “ ist das Antimaterie-Äquivalent des „ Elektrons “.

Der französische Begriff contra-terrene führte zum Initialismus "CT" und dem Science-Fiction-Begriff "seetee", wie er in Romanen wie Seetee Ship verwendet wird .

Konzeptgeschichte

Die Idee der negativen Materie taucht in früheren Materietheorien auf, die jetzt aufgegeben wurden. Unter Verwendung der einst populären Wirbeltheorie der Gravitation wurde die Möglichkeit von Materie mit negativer Gravitation in den 1880er Jahren von William Hicks diskutiert . Zwischen den 1880er und 1890er Jahren schlug Karl Pearson die Existenz von "Squirts" und Senken des Ätherflusses vor . Die Spritzer repräsentierten normale Materie und die Senken repräsentierten negative Materie. Pearsons Theorie erforderte eine vierte Dimension, damit der Äther aus- und hineinfließen konnte.

Der Begriff Antimaterie wurde erstmals 1898 von Arthur Schuster in zwei eher skurrilen Briefen an Nature verwendet , in denen er den Begriff prägte. Er stellte die Hypothese von Antiatomen sowie ganzen Antimaterie-Sonnensystemen auf und diskutierte die Möglichkeit, dass sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichten. Schusters Ideen waren kein ernsthafter theoretischer Vorschlag, sondern lediglich Spekulationen, und unterschieden sich wie die vorherigen Ideen vom modernen Konzept der Antimaterie dadurch, dass sie eine negative Gravitation besaßen .

Die moderne Theorie der Antimaterie begann 1928 mit einer Arbeit von Paul Dirac . Dirac erkannte, dass seine relativistische Version der Schrödinger-Wellengleichung für Elektronen die Möglichkeit von Antielektronen vorhersagte . Diese wurden 1932 von Carl D. Anderson entdeckt und Positronen von "positivem Elektron" genannt. Obwohl Dirac den Begriff Antimaterie nicht selbst verwendet hat, folgt seine Verwendung natürlicherweise auf Antielektronen, Antiprotonen usw. Ein vollständiges Periodensystem der Antimaterie wurde 1929 von Charles Janet ins Auge gefasst .

Die Feynman-Stueckelberg-Interpretation besagt, dass Antimaterie und Antiteilchen regelmäßige Teilchen sind, die sich in der Zeit rückwärts bewegen.

Notation

Eine Möglichkeit, ein Antiteilchen zu kennzeichnen, besteht darin, einen Balken über dem Symbol des Teilchens hinzuzufügen. Proton und Antiproton werden zum Beispiel bezeichnet als
P
und
P
, bzw. Die gleiche Regel gilt, wenn man ein Teilchen durch seine Bestandteile ansprechen würde. Ein Proton besteht aus
du

du

D
Quarks , also muss ein Antiproton gebildet werden aus
du

du

D
Antiquark . Eine andere Konvention besteht darin, Teilchen durch positive und negative elektrische Ladung zu unterscheiden . Elektron und Positron werden daher einfach als
e
und
e+
bzw. Um Verwechslungen zu vermeiden, werden die beiden Konventionen jedoch nie vermischt.

Eigenschaften

Theoretisierte Antigravitationseigenschaften von Antimaterie werden derzeit am AEGIS-Experiment am CERN getestet. Antimaterie, die mit Materie in Kontakt kommt, wird beides vernichten, während reine Energie zurückbleibt. Forschung ist erforderlich, um die möglichen Gravitationseffekte zwischen Materie und Antimaterie sowie zwischen Antimaterie und Antimaterie zu untersuchen. Die Forschung ist jedoch schwierig, wenn man bedenkt, dass die beiden vernichten, wenn sie sich treffen, zusammen mit den aktuellen Schwierigkeiten, Antimaterie einzufangen und einzuschließen.

Es gibt zwingende theoretische Gründe zu der Annahme, dass Materie und Antimaterie, abgesehen von der Tatsache, dass Antiteilchen auf allen Ladungen unterschiedliche Vorzeichen haben (wie elektrische und Baryonenladungen), genau die gleichen Eigenschaften haben. Dies bedeutet, dass ein Teilchen und sein entsprechendes Antiteilchen identische Massen und Zerfallslebensdauern (falls instabil) haben müssen. Es impliziert auch, dass zum Beispiel ein Stern aus Antimaterie (ein "Antistern") genauso leuchten wird wie ein gewöhnlicher Stern. Diese Idee wurde 2016 experimentell durch das ALPHA- Experiment getestet , bei dem der Übergang zwischen den beiden niedrigsten Energiezuständen von Antiwasserstoff gemessen wurde . Die mit Wasserstoff identischen Ergebnisse bestätigten die Gültigkeit der Quantenmechanik für Antimaterie.

Ursprung und Asymmetrie

Täglich gibt es etwa 500 terrestrische Gammablitze . Die roten Punkte zeigen diejenigen, die 2010 vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop entdeckt wurden. Die blauen Bereiche zeigen an, wo potenzielle Blitze für terrestrische Gammastrahlenblitze auftreten können .
Ein Video, das zeigt, wie Wissenschaftler den Gammastrahlen-Detektor des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops benutzten, um Antimaterie-Ausbrüche von Gewittern aufzudecken

Die meiste von der Erde aus beobachtbare Materie scheint eher aus Materie als aus Antimaterie zu bestehen. Wenn Antimaterie-dominierte Raumregionen existieren würden, wären die Gammastrahlen, die bei Vernichtungsreaktionen entlang der Grenze zwischen Materie- und Antimaterieregionen erzeugt werden, nachweisbar.

Antiteilchen entstehen überall im Universum, wo hochenergetische Teilchenkollisionen stattfinden. Hochenergetische kosmische Strahlung, die auf die Erdatmosphäre (oder jede andere Materie im Sonnensystem ) einwirkt, erzeugt winzige Mengen von Antiteilchen in den resultierenden Teilchenstrahlen , die durch Kontakt mit naher Materie sofort vernichtet werden. Sie können in ähnlicher Weise in Regionen wie dem Zentrum der Milchstraße und anderen Galaxien erzeugt werden, wo sehr energetische Himmelsereignisse auftreten (hauptsächlich die Wechselwirkung relativistischer Jets mit dem interstellaren Medium ). Das Vorhandensein der resultierenden Antimaterie ist durch die beiden Gammastrahlen nachweisbar, die jedes Mal erzeugt werden, wenn Positronen mit naher Materie vernichten. Die Frequenz und Wellenlänge der Gammastrahlen zeigen an, dass jede eine Energie von 511 keV trägt  (d. h. die Ruhemasse eines Elektrons multipliziert mit c 2 ).

Beobachtungen von der Europäischen Weltraumorganisation ist INTEGRAL Satellit können die Entstehung einer riesigen Antimaterie Wolke rund um das galaktische Zentrum erklären. Die Beobachtungen zeigen, dass die Wolke asymmetrisch ist und dem Muster von Röntgendoppelsternen (Binärsternsystemen mit Schwarzen Löchern oder Neutronensternen) entspricht, meist auf einer Seite des galaktischen Zentrums. Obwohl der Mechanismus noch nicht vollständig verstanden ist, ist es wahrscheinlich, dass er die Bildung von Elektron-Positron-Paaren beinhaltet, da gewöhnliche Materie kinetische Energie gewinnt, während sie in einen stellaren Überrest fällt .

Antimaterie kann aufgrund der kosmischen Inflation in der Urzeit des Universums in relativ großen Mengen in weit entfernten Galaxien existieren . Von Antimaterie-Galaxien, falls sie existieren, wird erwartet, dass sie die gleiche Chemie und die gleichen Absorptions- und Emissionsspektren aufweisen wie Galaxien aus normaler Materie, und ihre astronomischen Objekte wären beobachtungstechnisch identisch, was ihre Unterscheidung erschwert. Die NASA versucht zu bestimmen, ob solche Galaxien existieren, indem sie nach Röntgen- und Gammastrahlensignaturen von Vernichtungsereignissen in kollidierenden Superhaufen sucht .

Im Oktober 2017 berichteten Wissenschaftler des BASE-Experiments am CERN über eine Messung des magnetischen Antiprotonenmoments mit einer Genauigkeit von 1,5 Teilen pro Milliarde. Es stimmt mit der genauesten Messung des magnetischen Moments von Protonen überein (ebenfalls von BASE im Jahr 2014 durchgeführt), die die Hypothese der CPT-Symmetrie unterstützt . Diese Messung stellt das erste Mal dar, dass eine Eigenschaft von Antimaterie genauer bekannt ist als die äquivalente Eigenschaft von Materie.

Antimaterie-Quanteninterferometrie wurde erstmals im L-NESS-Labor von R. Ferragut in Como (Italien) von einer Gruppe unter der Leitung von M. Giammarchi demonstriert.

Natürliche Produktion

Positronen werden auf natürliche Weise bei β + -Zerfällen natürlich vorkommender radioaktiver Isotope (zum Beispiel Kalium-40 ) und bei Wechselwirkungen von Gammaquanten (emittiert von radioaktiven Kernen) mit Materie produziert. Antineutrinos sind eine andere Art von Antiteilchen, die durch natürliche Radioaktivität (β -Zerfall ) erzeugt werden. Viele verschiedene Arten von Antiteilchen werden auch durch kosmische Strahlung erzeugt (und darin enthalten) . Im Januar 2011 entdeckte eine Forschung der American Astronomical Society Antimaterie (Positronen), die über Gewitterwolken entstand ; Positronen werden in terrestrischen Gammablitzen erzeugt, die von Elektronen erzeugt werden, die durch starke elektrische Felder in den Wolken beschleunigt werden. Das PAMELA-Modul hat auch in den Van-Allen-Gürteln um die Erde Antiprotonen gefunden .

Antiteilchen werden auch in jeder Umgebung mit einer ausreichend hohen Temperatur (mittlere Teilchenenergie größer als die Paarproduktionsschwelle ) produziert. Es wird angenommen, dass während der Periode der Baryogenese, als das Universum extrem heiß und dicht war, ständig Materie und Antimaterie produziert und vernichtet wurden. Das Vorhandensein von verbleibender Materie und das Fehlen von nachweisbarer verbleibender Antimaterie wird als Baryonenasymmetrie bezeichnet . Der genaue Mechanismus, der diese Asymmetrie während der Baryogenese erzeugt hat, bleibt ein ungelöstes Problem. Eine der notwendigen Bedingungen für diese Asymmetrie ist die Verletzung der CP-Symmetrie , die experimentell in der schwachen Wechselwirkung beobachtet wurde .

Jüngste Beobachtungen zeigen, dass Schwarze Löcher und Neutronensterne über die Jets große Mengen an Positronen-Elektronen-Plasma produzieren.

Beobachtung in kosmischer Strahlung

Satellitenexperimente haben Hinweise auf Positronen und einige Antiprotonen in der primären kosmischen Strahlung gefunden, die weniger als 1% der Teilchen in der primären kosmischen Strahlung ausmachen. Diese Antimaterie kann nicht alle im Urknall entstanden sein, sondern wird stattdessen durch zyklische Prozesse bei hohen Energien erzeugt. Zum Beispiel können Elektron-Positron-Paare in Pulsaren gebildet werden , da ein magnetisierter Neutronenstern-Rotationszyklus Elektron-Positron-Paare von der Sternoberfläche schert. Darin bildet die Antimaterie einen Wind, der auf die Ejekta der Vorläufer-Supernovae prallt. Diese Verwitterung findet statt, indem "der vom Stern ausgelöste kalte, magnetisierte relativistische Wind auf die sich nicht relativistisch ausdehnenden Ejekta trifft, ein Stoßwellensystem bildet sich beim Aufprall: das äußere breitet sich im Ejekta aus, während sich ein umgekehrter Stoß zurück zum Stern ausbreitet". ." Der erstgenannte Ausstoß von Materie in der äußeren Stoßwelle und die letztgenannte Produktion von Antimaterie in der umgekehrten Stoßwelle sind Schritte in einem Weltraumwetterzyklus.

Vorläufige Ergebnisse des derzeit in Betrieb befindlichen Alpha-Magnet-Spektrometers ( AMS-02 ) an Bord der Internationalen Raumstation ISS zeigen, dass Positronen in der kosmischen Strahlung ohne Richtung und mit Energien im Bereich von 10 GeV bis 250 GeV ankommen . Im September 2014 wurden neue Ergebnisse mit fast doppelt so vielen Daten in einem Vortrag am CERN vorgestellt und in Physical Review Letters veröffentlicht. Eine neue Messung des Positronenanteils bis zu 500 GeV wurde berichtet, die zeigt, dass der Positronenanteil bei einem Maximum von etwa 16% der gesamten Elektron+Positron-Ereignisse bei einer Energie von 275 ± 32 GeV liegt. Bei höheren Energien bis 500 GeV beginnt das Verhältnis von Positronen zu Elektronen wieder zu sinken. Der absolute Fluss von Positronen beginnt ebenfalls vor 500 GeV zu sinken, erreicht jedoch seinen Spitzenwert bei Energien, die weit über den Elektronenenergien liegen, die einen Spitzenwert von etwa 10 GeV erreichen. Es wurde vermutet, dass diese Interpretationsergebnisse auf die Positronenproduktion bei Annihilationsereignissen von massiven Teilchen der Dunklen Materie zurückzuführen sind.

Antiprotonen der kosmischen Strahlung haben auch eine viel höhere Energie als ihre Gegenstücke aus normaler Materie (Protonen). Sie erreichen die Erde mit einem charakteristischen Energiemaximum von 2 GeV, was darauf hindeutet, dass sie in einem grundlegend anderen Prozess produziert werden als Protonen der kosmischen Strahlung, die im Durchschnitt nur ein Sechstel der Energie haben.

In der kosmischen Strahlung wird ständig nach größeren Antimaterie-Kernen wie Antihelium- Kernen (d. h. Anti-Alpha-Teilchen) gesucht . Der Nachweis von natürlichem Anthelium könnte auf die Existenz großer Antimateriestrukturen wie einem Antistern hinweisen. Ein Prototyp des AMS-02 mit der Bezeichnung AMS-01 wurde im Juni 1998 an Bord des Space Shuttle Discovery auf STS-91 in den Weltraum geflogen. Da er überhaupt kein Anthelium entdeckte , legte der AMS-01 eine Obergrenze von 1,1 × 10 − . fest 6 für das antihelium zu Heliumflussverhältnis. AMS-02 gab im Dezember 2016 bekannt, dass es zwischen mehreren Milliarden Heliumkernen einige Signale entdeckt hatte, die mit Antheliumkernen übereinstimmen. Das Ergebnis muss noch überprüft werden, und das Team versucht derzeit, eine Kontamination auszuschließen.

Künstliche Produktion

Positronen

Im November 2008 wurde berichtet, dass Positronen vom Lawrence Livermore National Laboratory in größerer Zahl erzeugt wurden als durch irgendein früheres Syntheseverfahren. Ein Laser fuhr Elektronen durch eine Goldzielkern , die die ankommenden Elektronen zu emittieren verursacht Energiequanten , dass sowohl in Materie und Anti - Materie zerfallen. Positronen wurden mit höherer Geschwindigkeit und in größerer Dichte nachgewiesen als je zuvor in einem Labor nachgewiesen. Frühere Experimente erzeugten kleinere Mengen von Positronen mit Lasern und hauchdünnen Targets; Neue Simulationen zeigten, dass kurze Ausbrüche von ultraintensiven Lasern und millimeterdickem Gold eine weitaus effektivere Quelle sind.

Antiprotonen, Antineutronen und Antinuklei

Die Existenz des Antiprotons wurde 1955 von den Physikern Emilio Segrè und Owen Chamberlain der University of California in Berkeley experimentell bestätigt , wofür sie 1959 den Nobelpreis für Physik erhielten . Ein Antiproton besteht aus zwei Up-Antiquarks und einem Down-Antiquark (
du

du

D
). Die gemessenen Eigenschaften des Antiprotons stimmen alle mit den entsprechenden Eigenschaften des Protons überein, mit Ausnahme des Antiprotons mit entgegengesetzter elektrischer Ladung und magnetischem Moment zum Proton. Kurz darauf, 1956, wurde das Antineutron bei Proton-Proton-Kollisionen am Bevatron ( Lawrence Berkeley National Laboratory ) von Bruce Cork und Kollegen entdeckt.

Neben Antibaryonen wurden Antikerne geschaffen, die aus mehreren gebundenen Antiprotonen und Antineutronen bestehen. Diese werden typischerweise bei Energien erzeugt, die viel zu hoch sind, um Antimaterie-Atome zu bilden (mit gebundenen Positronen anstelle von Elektronen). Im Jahr 1965 berichtete eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Antonino Zichichi über die Produktion von Antideuteriumkernen am Protonen-Synchrotron am CERN . Ungefähr zur gleichen Zeit berichtete eine Gruppe amerikanischer Physiker am Alternating Gradient Synchrotron des Brookhaven National Laboratory über Beobachtungen von Antideuterium-Kernen .

Antiwasserstoffatome

Antimaterie-Einrichtungen
Niedrigenergie-Antiprotonenring (1982-1996)
Antiprotonen-Akkumulator Antiproton- Produktion
Antiprotonensammler Verlangsamte und gespeicherte Antiprotonen
Antimaterie-Fabrik (2000-heute)
Antiprotonen-Verzögerer (AD) Verlangsamt Antiprotonen
Extra Low Energy Antiprotonenring (ELENA) Deletiert Antiprotonen, die von AD . erhalten wurden

1995 gab das CERN bekannt, dass es durch die Umsetzung des SLAC / Fermilab- Konzepts während des PS210-Experiments erfolgreich neun heiße Antiwasserstoffatome ins Leben gerufen habe . Das Experiment wurde mit dem Low Energy Antiproton Ring (LEAR) durchgeführt und von Walter Oelert und Mario Macri geleitet. Fermilab bestätigte bald die Ergebnisse des CERN, indem es in seinen Einrichtungen etwa 100 Antiwasserstoffatome produzierte. Die während PS210 und nachfolgenden Experimenten (sowohl am CERN als auch am Fermilab) erzeugten Antiwasserstoffatome waren extrem energiereich und für Studien nicht gut geeignet. Um diese Hürde zu nehmen und ein besseres Verständnis von Antiwasserstoff zu erlangen, wurden Ende der 1990er Jahre zwei Kooperationen geschlossen, nämlich ATHENA und ATRAP .

1999 aktivierte das CERN den Antiproton Decelerator , ein Gerät, das Antiprotonen von3500  MeV to5,3 MeV  – noch zu „heiß“, um studienwirksamen Antiwasserstoff herzustellen, aber ein Riesensprung nach vorn. Ende 2002 gab das ATHENA-Projekt bekannt, den weltweit ersten "kalten" Antiwasserstoff hergestellt zu haben. Das ATRAP-Projekt veröffentlichte kurze Zeit später ähnliche Ergebnisse. Die in diesen Experimenten verwendeten Antiprotonen wurden gekühlt, indem sie mit dem Antiproton Decelerator abgebremst, durch eine dünne Folie geleitet und schließlich in einer Penning-Malmberg-Falle eingefangen wurden . Der gesamte Kühlprozess ist praktikabel, aber höchst ineffizient; ca. 25 Millionen Antiprotonen verlassen den Antiproton Decelerator und ca. 25.000 gelangen in die Penning-Malmberg-Falle, also ca.1/1000 oder 0,1% des ursprünglichen Betrags.

Die Antiprotonen sind noch heiß, wenn sie zunächst eingefangen werden. Zur weiteren Abkühlung werden sie in ein Elektronenplasma eingemischt. Die Elektronen in diesem Plasma kühlen durch Zyklotronstrahlung ab und kühlen dann die Antiprotonen durch Coulomb- Kollisionen mitfühlend ab . Schließlich werden die Elektronen durch das Anlegen kurzzeitiger elektrischer Felder entfernt, so dass die Antiprotonen mit Energien von weniger als . zurückbleiben100  meV . Während die Antiprotonen in der ersten Falle gekühlt werden, wird eine kleine Positronenwolke aus radioaktivem Natrium in einem Surko-ähnlichen Positronenakkumulator eingefangen . Diese Wolke wird dann in einer zweiten Falle in der Nähe der Antiprotonen wieder eingefangen. Manipulationen der Fallenelektroden kippen dann die Antiprotonen in das Positronenplasma, wo sich einige mit Antiprotonen zu Antiwasserstoff verbinden. Dieser neutrale Antiwasserstoff bleibt von den elektrischen und magnetischen Feldern unbeeinflusst, die zum Einfangen der geladenen Positronen und Antiprotonen verwendet werden, und innerhalb weniger Mikrosekunden trifft der Antiwasserstoff auf die Fallenwände, wo er vernichtet. Einige Hundert Millionen Antiwasserstoffatome wurden auf diese Weise hergestellt.

Im Jahr 2005 löste sich ATHENA auf und einige der ehemaligen Mitglieder (zusammen mit anderen) gründeten die ALPHA Collaboration , die ebenfalls am CERN ansässig ist. Das ultimative Ziel dieser Bemühungen ist es, die CPT-Symmetrie durch Vergleich der Atomspektren von Wasserstoff und Antiwasserstoff zu testen (siehe Wasserstoffspektralreihen ).

Im Jahr 2016 wurde ein neuer Antiprotonen-Verzögerer und Kühler namens ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator) gebaut. Es nimmt die Antiprotonen aus dem Antiprotonen-Verzögerer und kühlt sie auf 90 keV ab, was "kalt" genug ist, um sie zu untersuchen. Diese Maschine arbeitet mit hoher Energie und beschleunigt die Partikel in der Kammer. Mehr als hundert Antiprotonen können pro Sekunde eingefangen werden, eine enorme Verbesserung, aber es würde immer noch mehrere tausend Jahre dauern, um ein Nanogramm Antimaterie herzustellen .

Die meisten der begehrten hochpräzisen Tests der Eigenschaften von Antiwasserstoff ließen sich nur dann durchführen, wenn der Antiwasserstoff gefangen, also relativ lange an Ort und Stelle gehalten würde. Während Antiwasserstoffatome elektrisch neutral sind, erzeugen die Spins ihrer einzelnen Teilchen ein magnetisches Moment . Diese magnetischen Momente können mit einem inhomogenen Magnetfeld wechselwirken; einige der Antiwasserstoffatome können von einem magnetischen Minimum angezogen werden. Ein solches Minimum kann durch eine Kombination von Spiegel- und Multipolfeldern erzeugt werden. Antiwasserstoff kann in einer solchen magnetischen Minimum-(Minimum-B)-Falle gefangen werden; im November 2010 gab die ALPHA-Kollaboration bekannt, dass sie 38 Antiwasserstoffatome für etwa eine Sechstelsekunde gefangen hatte. Dies war das erste Mal, dass neutrale Antimaterie gefangen wurde.

Am 26. April 2011 gab ALPHA bekannt, dass sie 309 Antiwasserstoffatome gefangen haben, einige für 1.000 Sekunden (etwa 17 Minuten). Dies war länger als jemals zuvor neutrale Antimaterie gefangen worden war. ALPHA hat diese gefangenen Atome verwendet, um die Erforschung der spektralen Eigenschaften des Antiwasserstoffs anzustoßen.

Der größte limitierende Faktor bei der großtechnischen Produktion von Antimaterie ist die Verfügbarkeit von Antiprotonen. Jüngste vom CERN veröffentlichte Daten besagen, dass ihre Anlagen bei vollem Betrieb in der Lage sind, zehn Millionen Antiprotonen pro Minute zu produzieren. Unter der Annahme einer 100%igen Umwandlung von Antiprotonen in Antiwasserstoff würde es 100 Milliarden Jahre dauern, um 1 Gramm oder 1 Mol Antiwasserstoff (ca6,02 × 10 23 Atome Antiwasserstoff).

Antihelium

Antihelium-3-Kerne (3
Er
) wurden erstmals in den 1970er Jahren in Proton-Kern-Kollisionsexperimenten am Institut für Hochenergiephysik von Y. Prockoshkins Gruppe (Protvino bei Moskau, UdSSR) beobachtet und später in Kern-Kern-Kollisionsexperimenten erzeugt. Kern-Kern-Kollisionen erzeugen Antikerne durch die Koaleszenz von Antiprotonen und Antineutronen, die bei diesen Reaktionen entstehen. Im Jahr 2011 meldete der STAR-Detektor die Beobachtung von künstlich erzeugten Antihelium-4-Kernen (Anti-Alpha-Teilchen) (4
Er
) von solchen Kollisionen.

Das Alpha-Magnetspektrometer auf der Internationalen Raumstation ISS hat bis 2021 acht Ereignisse aufgezeichnet, die auf den Nachweis von Anthelium-3 hindeuten.

Erhaltung

Antimaterie kann nicht in einem Behälter aus gewöhnlicher Materie aufbewahrt werden, da Antimaterie mit jeder Materie, die sie berührt, reagiert und sich selbst und eine gleiche Menge des Behälters vernichtet. Antimaterie in Form geladener Teilchen kann durch eine Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern in einer als Penningfalle bezeichneten Vorrichtung enthalten sein . Dieses Gerät kann jedoch keine Antimaterie enthalten, die aus ungeladenen Teilchen besteht, für die Atomfallen verwendet werden. Insbesondere kann eine solche Falle das Dipolmoment ( elektrisch oder magnetisch ) der eingefangenen Partikel nutzen. Im Hochvakuum können die Materie oder Antimaterie-Partikel mit einer magnetooptischen Falle oder Magnetfalle mit leicht außerresonanter Laserstrahlung eingefangen und gekühlt werden . Kleine Partikel können auch mit einer optischen Pinzette mit einem stark fokussierten Laserstrahl suspendiert werden.

Im Jahr 2011 konnten CERN- Wissenschaftler Antiwasserstoff etwa 17 Minuten lang konservieren. Den Rekord für die Lagerung von Antiteilchen hält derzeit das TRAP-Experiment am CERN: Antiprotonen wurden 405 Tage in einer Penning-Falle gehalten. Im Jahr 2018 wurde ein Vorschlag unterbreitet, eine Eindämmungstechnologie zu entwickeln, die so fortgeschritten ist, dass sie eine Milliarde Antiprotonen in einem tragbaren Gerät enthalten kann, um sie zu weiteren Experimenten in ein anderes Labor zu bringen.

Kosten

Wissenschaftler behaupten, dass Antimaterie das teuerste Material in der Herstellung ist. Im Jahr 2006 schätzte Gerald Smith, dass 250 Millionen US-Dollar 10 Milligramm Positronen produzieren könnten (entspricht 25 Milliarden US-Dollar pro Gramm); 1999 gab die NASA eine Zahl von 62,5 Billionen Dollar pro Gramm Antiwasserstoff an. Dies liegt daran, dass die Herstellung schwierig ist (bei Reaktionen in Teilchenbeschleunigern werden nur sehr wenige Antiprotonen gebildet) und weil eine höhere Nachfrage nach anderen Anwendungen von Teilchenbeschleunigern besteht . Laut CERN hat es einige hundert Millionen Franken gekostet , etwa 1 Milliardstel Gramm (die Menge, die bisher für Teilchen-Antiteilchen-Kollisionen verwendet wurde) herzustellen. Im Vergleich dazu wurden die Kosten des Manhattan-Projekts für die Herstellung der ersten Atomwaffe 2007 mit Inflation auf 23 Milliarden Dollar geschätzt.

Mehrere vom NASA Institute for Advanced Concepts finanzierte Studien untersuchen, ob es möglich sein könnte, mit magnetischen Schaufeln die Antimaterie zu sammeln, die natürlich im Van-Allen-Gürtel der Erde und schließlich hoffentlich in den Gürteln von Gasriesen wie Jupiter vorkommt zu geringeren Kosten pro Gramm.

Verwendet

Medizinisch

Materie-Antimaterie-Reaktionen haben praktische Anwendungen in der medizinischen Bildgebung, wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Beim positiven Betazerfall verliert ein Nuklid überschüssige positive Ladung, indem es ein Positron emittiert (im gleichen Fall wird ein Proton zu einem Neutron und ein Neutrino wird ebenfalls emittiert). Nuklide mit überschüssiger positiver Ladung werden leicht in einem Zyklotron hergestellt und werden in großem Umfang für medizinische Zwecke erzeugt. In Laborexperimenten wurde auch gezeigt, dass Antiprotonen das Potenzial haben, bestimmte Krebsarten zu behandeln, in einer ähnlichen Methode, die derzeit für die Ionen-(Protonen-)Therapie verwendet wird.

Kraftstoff

Isolierte und gespeicherte Antimaterie könnte als Treibstoff für interplanetare oder interstellare Reisen als Teil eines antimaterie-katalysierten Kernimpulsantriebs oder einer anderen Antimaterie-Rakete verwendet werden . Da die Energiedichte von Antimaterie höher ist als die von konventionellen Treibstoffen, hätte ein mit Antimaterie betriebenes Raumfahrzeug ein höheres Schub-Gewichts-Verhältnis als ein konventionelles Raumfahrzeug.

Wenn Materie-Antimaterie-Kollisionen nur zu einer Photonenemission führen würden , würde die gesamte Ruhemasse der Teilchen in kinetische Energie umgewandelt . Die Energie pro Masseneinheit (9 × 10 16  J/kg ) ist etwa 10 Größenordnungen größer als chemische Energien und etwa 3 Größenordnungen größer als die potentielle Kernenergie , die heute durch Kernspaltung freigesetzt werden kann (etwa200 MeV pro Spaltreaktion oder8 × 10 13  J/kg ) und etwa 2 Größenordnungen größer als die bestmöglichen Ergebnisse, die von der Fusion erwartet werden (etwa6,3 × 10 14  J/kg für die Proton-Proton-Kette ). Die Reaktion vonkg Antimaterie mit1 kg Materie würde produzieren1,8 × 10 17  J (180 Petajoule) Energie (nach der Masse-Energie-Äquivalenzformel , E = mc 2 ) oder das ungefähre Äquivalent von 43 Megatonnen TNT – etwas weniger als die Ausbeute der 27.000 kg schweren Zarenbomba , der größten thermonukleare Waffe jemals gezündet.

Aufgrund der Natur der Vernichtungsprodukte kann nicht die gesamte Energie von einer realistischen Antriebstechnologie genutzt werden. Während Elektron-Positron-Reaktionen zu Gammastrahlungsphotonen führen, sind diese schwer zu lenken und für Schub zu nutzen. Bei Reaktionen zwischen Protonen und Antiprotonen wird deren Energie weitgehend in relativistische neutrale und geladene Pionen umgewandelt . Die neutralen Pionen zerfallen fast sofort (mit einer Lebensdauer von 85 Attosekunden ) in hochenergetische Photonen, aber die geladenen Pionen zerfallen langsamer (mit einer Lebensdauer von 26 Nanosekunden) und können magnetisch abgelenkt werden, um Schub zu erzeugen .

Geladene Pionen zerfallen schließlich in eine Kombination aus Neutrinos (die etwa 22% der Energie der geladenen Pionen tragen) und instabil geladenen Myonen (die etwa 78% der geladenen Pion-Energie tragen), wobei die Myonen dann in eine Kombination von Elektronen, Positronen, zerfallen und Neutrinos (vgl. Myonenzerfall ; die Neutrinos aus diesem Zerfall tragen etwa 2/3 der Energie der Myonen, was bedeutet, dass von den ursprünglich geladenen Pionen der Gesamtanteil ihrer Energie, die auf dem einen oder anderen Weg in Neutrinos umgewandelt wurde, etwa . betragen würde 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74 ).

Waffen

Antimaterie gilt als Auslösemechanismus für Atomwaffen. Ein großes Hindernis ist die Schwierigkeit, Antimaterie in ausreichend großen Mengen herzustellen, und es gibt keine Beweise dafür, dass dies jemals möglich sein wird. Nichtsdestotrotz finanzierte die US Air Force Studien zur Physik der Antimaterie im Kalten Krieg und begann, ihren möglichen Einsatz in Waffen in Betracht zu ziehen, nicht nur als Auslöser, sondern als Sprengstoff selbst.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links