ANTIMATERIE

Der Theoretiker Paul Dirac (1902-1984) stieß bei der Arbeit an einer verbesserten Theorie des Elektrons 1928 neben der gewöhnlichen Lösung seiner Gleichung stets auch auf eine weitere, „unphysikalische“ Lösung, die auf die Existenz von Teilchen entgegengesetzter Ladung hindeutete. Diese hatten die Masse eines Elektrons, waren aber nicht negativ, sondern positiv geladen: Anti-Elektronen oder Positronen. 1932 wurden sie durch den Physiker Carl D. Anderson (1905-1991) erstmalig in der kosmischen Strahlung nachgewiesen.

Positronen sind die ersten Atomteilchen, die gleichsam dem reinen Denken entsprungen sind – etwas, was sich auf ähnliche Weise noch oft in der Geschichte der Elementarteilchenphysik wiederholen sollte.

Dirac postulierte ganz allgemein, dass es zu jedem Teilchen ein Gegenstück aus Antimaterie geben müsse, was heute eindeutig bestätigt ist. Materie und Antimaterie sind sich „äußerlich“ zum Verwechseln ähnlich. Die meisten ihrer Eigenschaften sind identisch, doch manche gerade entgegengesetzt, z. B. die elektrische Ladung oder der Spin (Drehsinn). Treffen Materie und die entsprechende Antimaterie aufeinander, vernichten sie sich gegenseitig: Sie zerstrahlen unter Freisetzung großer Mengen an Energie. Dieser Prozess wird von den Fachleuten als Annihilation bezeichnet.

Asymmetrie

Die Asymmetrie von Materie und Antimaterie, also die Tatsache, dass unser Universum fast nur aus Materie besteht, stellt ein Problem im Standardmodell der Elementarteilchen dar. Es gibt viele Hypothesen, mit denen sich dieses Ungleichgewicht erklären lassen soll. Wir wissen nicht, ob eine davon zutrifft, und welche das sein könnte. Vielleicht liegt die Lösung dieses großen Rätsels in einer Asymmetrie der Naturgesetze, die wir noch nicht entdeckt haben. Einige Modelle verschaffen der Materie die Oberhand, indem sie neue Teilchen postulieren. Wenn diese zerfallen, könnten sie mehr Materie als Antimaterie erzeugen; oder die Teilchen wechselwirken mit Materie auf andere Weise.

Denkbar wäre, dass das Universum quasi asymmetrisch entstand, das heißt, dass es von Anfang an mehr Teilchen als Antiteilchen enthielt. So könnten nach der Theorie auf jeweils 10 000 000 000 Antimaterieteilchen 10 000 000 001 Materieteilchen entstanden sein. Teilchen und Antiteilchen begannen, sich etwa 10^-6 Sekunden nach dem Urknall unter Aussendung von Photonen paarweise zu vernichten, bis nur noch der Überschuss an gewöhnlicher Materie übrig war. Daraus entwickelte sich dann das heute beobachtbare Universum aus gewöhnlicher Materie (Quarks – Bestandteilen der Protonen und Neutronen – und Elektronen).

Theoretiker wie Andrej Sacharow (1921-1989) bevorzugen ein Szenario, dem zufolge Teilchen und Antiteilchen im frühen Universum gleich häufig waren und die Teilchen erst während der Expansion und Abkühlung des Weltalls die Oberhand gewannen. Danach könnte im frühen Universum irgendein Prozess existiert haben, der das Verhältnis der Anzahl der Materieteilchen zur Anzahl der Antimaterieteilchen zu verändern vermochte. Gemäß bestimmter Erweiterungen des Standardmodells könnten solche Prozesse kurz nach dem Urknall sehr häufig gewesen sein.

Jedenfalls: Hätte es nicht einen kleinen Überschuss von Elektronen und Quarks gegenüber ihren Antiteilchen gegeben, so enthielte das Universum heute praktisch keine der bekannten Partikel, und es gäbe weder Galaxien noch Sterne – und auch wir Menschen würden nicht existieren.

CP-Verletzung

Theorien wie die Supersymmetrie oder die Stringtheorie sagen Asymmetrien zwischen Materie und Antimaterie voraus. Aber auch das Standardmodell der Teilchenphysik deutet auf kleine Abweichungen hin, die erklären könnten, warum heute mehr Materie übrig ist.

In der Physik spielt das sogenannte CPT-Theorem eine fundamentale Rolle. Es wurde 1955 von Wolfgang Pauli formuliert. C (charge) steht dabei für eine Vertauschung der Ladung – und somit von Materie und Antimaterie, P (parity) für eine räumliche Spiegelung eines Prozesses an einem Punkt, T (time) für eine Zeitumkehr. Das CPT-Theorem besagt, dass jeder mögliche Vorgang in Raum und Zeit auch dann physikalisch möglich ist, wenn man seine Raumkoordinaten spiegelt, die Zeit rückwärts laufen lässt und überdies Teilchen mit Antiteilchen vertauscht. Demnach sind alle Prozesse möglich, die einer CPT-Transformation unterliegen. Wenn das CPT-Theorem nur wenig verletzt wäre, stünden die moderne Quantenfeldtheorie sowie die Relativitätstheorie auf der Kippe.

C-Parität (Charge-Parity / Ladungs-Parität) bedeutet im Grunde die Balance zwischen Materie und Antimaterie. Die meisten Physiker nehmen eine schwache Asymmetrie dieses grundlegenden physikalischen Gesetzes an, die als CP-Verletzung (CP-Invarianz) bekannt ist. Antimaterie wäre in ihrem Verhalten demnach nicht das exakte Spiegelbild von Materie, und daher würden Materie und Antimaterie nicht die gleiche Rolle im Universum einnehmen. Die Wissenschaftler sprechen von einem Symmetriebruch, eine winzige Verletzung der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie. Obwohl ein „spontaner Symmetriebruch“ extrem selten auftritt, könnte er den beobachteten Überschuss der Materie erklären.

Nach der Theorie der Elementarteilchen dürfen derlei Symmetrieverletzungen einzeln zwar vorkommen, doch müssen sie klein sein, und nach sämtlichen drei Operationen – Spiegelung (P), Teilchen-Antiteilchen-Austausch (C) und Zeitumkehr (T) – muss sich alles wieder symmetrisch ausrichten. Im Paket (CPT-Symmetrie) ist die Welt dann wieder in Ordnung. Weil Spiegelung und Teilchen-Antiteilchen-Verwandlung eine Symmetrieverletzung ergeben, muss der Theorie zufolge auch die Zeitumkehr verletzt sein, damit die Symmetrie insgesamt erhalten bleibt. Das heißt nichts anderes, als dass ein „Zurück in die Vergangenheit“ nicht funktioniert.

Überraschenderweise wurde bereits 1964 in Labor-Experimenten nachgewiesen, dass die CP-Symmetrie tatsächlich gelegentlich gebrochen ist. So unterscheiden sich bestimmte Mesonen in ihrem Zerfallsverhalten von ihrem Antiteilchen. Mesonen sind Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen – also quasi eine Kombination aus Materie und Antimaterie – und liegen in der Größe zwischen einem Elektron und einem Proton. Sie sind äußerst instabil und zerfallen schon nach kurzer Zeit. Inzwischen gibt es auch den Nachweis einer CP-Verletzung beim Zerfall eines Protons.

Obwohl CP-Verletzungen extrem selten auftreten, könnten sie tatsächlich der Grund sein, warum es offensichtlich kaum Antimaterie im Universum gibt. Weshalb die Symmetrie-Verletzungen auftreten und wie es zu ihnen gekommen sein könnte, ist indes auch für Physiker noch rätselhaft und bedarf noch weiterer Untersuchungen. Die gemessenen Abweichungen reichen jedoch nicht aus, um die beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie gänzlich zu erklären. Nach Einschätzung von Experten sind weitere subatomare Prozesse nötig, in denen gewöhnlichen Materie die Nase vorn hat. Sie liegen möglicherweise jenseits des Standardmodells. Das würde gleichzeitig auch bedeuten, dass das heutige Standardmodell der Teilchen unvollständig, das heißt nicht perfekt ist.

Neutrinos und Antineutrinos besitzen möglicherweise superschwere Gegenstücke, deren jeweilige Eigenschaften mit den leichten Teilchen eng verbunden sind. Sollten die Massen unterschiedlich zerfallen, könnte das im jungen Universum den Keim für das heute beobachtbare Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie gelegt haben. Wissenschaftler gehen seit Jahren einer entsprechenden Fährte nach – bisher noch ohne endgültigen Erfolg.

Antimaterie im Universum

Antimaterie – besonders in Gestalt von Antinukleonen jenseits der Antiprotonen – stellt im gesamten bekannten Universum eine Rarität dar. Daher wird es auch zunehmend unwahrscheinlicher, dass es Antiwelt-Inseln im All gibt – wir hätten sie wohl längst entdeckt. Bei den vielen Teilchen-Zusammenstößen im Weltraum bliebe es nicht unbemerkt, wenn große Teile aus Antimaterie bestünden.

Aber hin und wieder entstehen Im Universum Antimaterieteilchen, vor allem Positronen. Ursache sind verschiedene Prozesse im All, beispielsweise Explosionen auf der Sonne, Stoßwellen von Supernova-Überresten sowie Teilchen-Kollisionen im interstellaren Gas. Wenn nach einer Supernova-Explosion ein stark beschleunigtes Proton auf eine anderes Proton trifft, werden Paare von Pionen (gehören zu den Mesonen) gebildet, welche wiederum binnen kurzem in Myonen (fast identisch mit Elektronen, aber viel schwerer und extrem kurzlebig) und gleich darauf in Positron-Elektron-Paare sowie Neutrinos und Anti-Neutrinos zerfallen. Bewegen sich die kollidierenden Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, reicht die Stoßenergie aus, um auch die viel schwereren Proton-Antiproton-Paare entstehen zu lassen. (Ein solcher Prozess ist die Umkehrung der Materie-Antimaterie-Zerstrahlung, denn hier wird Energie in Materie umgewandelt und nicht Materie in Energie.)

Doch es muss auch noch andere Erzeuger von Antimaterie-Partikeln geben. So könnten sie auch durch Wechselwirkungen von Gammastrahlung mit ultrastarken Magnetfeldern von Pulsaren entstehen. Darüber hinaus spekulieren die Astrophysiker, dass Antimaterie-Teilchen bei der Vernichtung der ominösen Dunklen Materie gebildet werden.

Die meisten der in Erdnähe beobachteten Antiteilchen werden bei Explosionen auf der Sonne erzeugt. Zwar ist Antimaterie auf der Erde im Grunde nicht existent. Allerdings gelangt beständig eine kleine Anzahl von Antipartikeln mit der kosmischen Strahlung auf unseren Planeten, vor allem Positronen und Antiprotonen. Diese Antiteilchen entstehen auch, wenn hochenergetische Teilchen aus dem All mit Atomen der Erdatmosphäre kollidieren. Antimaterie kann auf der Erde auch bei tropischen Gewitterstürmen und sogar bei ganz normalen Gewittern erzeugt werden. Ursache ist wahrscheinlich die Streuung von bei Blitzen erzeugten Gammaphotonen an Luftmolekülen.

Elektronen werden von den starken elektrischen Feldern in den Blitzen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Treffen sie auf Luftmoleküle, werden sie abgebremst und erzeugen Gammastrahlen, die nur 0,2 bis 3,5 Millisekunden dauern, aber Energien von 40 Megaelektronenvolt (MeV) und mehr haben können. Passiert ein Gammaquant einen Atomkern in der Atmosphäre, kann seine Energie in ein Paar aus einem Elektron und einem Positron umgewandelt werden. Die Positronen bewegen sich dann wie die Elektronen spiralförmig entlang der Erdmagnetfeldlinien – auf Grund ihrer unterschiedlichen elektrischen Ladung allerdings mit umgekehrtem Drehsinn – und entkommen auf einer Spiralbahn ins All. Treffen Teilchen und Antiteilchen aufeinander, zerstrahlen sie. [Es wurden Gammastrahlen mit einer Energie von 511 Kiloelektronenvolt (KeV) nachgewiesen, was genau der Energie entspricht, die frei wird, wenn Positronen und Elektronen sich gegenseitig vernichten.]

Erzeugung von Antimaterie

Wissenschaftler sind heute in der Lage, Paare von Teilchen und Antiteilchen zu erzeugen. Dazu beschleunigen sie z. B. Protonen in raffiniert angeordneten elektrischen Feldern auf fast Lichtgeschwindigkeit und schießen sie auf einen Metallzylinder aus Iridium. Der Aufprall hat einen starken Energieblitz zur Folge, der sich sofort in einen Schauer von Teilchen und Antiteilchen umwandelt. Dabei entstehen z. B. auch mehrere Millionen Protonen-Antiprotonen-Paare. Der Nachweis von Antiprotonen gelang erstmals 1955 in Berkeley (Kalifornien). 1956 entdeckten Forscher Antineutronen, 1965 Antideuterium-Kerne, 1970 Antihelium-3-Kerne, 1973 Antitritium-Kerne. Auch schwerere „Geschwister“ der Positronen wurden entdeckt: Antimyonen und Antitauonen; daneben ihre drei „Vettern“, die Antineutrinos, und alle sechs Antiquarks.

2010 wurde ein neuer Typus von Antimaterie nachgewiesen: Antihypertriton. Der Stoff besteht aus einem Antiproton, einem Antineutron und einem instabilen Teilchen, Antilambda (ein Zusammenschluss aus Anti-Up-, Anti-Down- und Anti-Strange-Quark). 2011 wurde Antihelium (aus zwei Antiprotonen und zwei Antineutronen) nachgewiesen. Der schwerste bisher entdeckte Atomkern ist Antihyperwasserstoff-4, eine exotische Variante von Antiwasserstoff, der aus einem Antiproton, zwei Antineutronen sowie einem Antilambda-Teilchen besteht.

Diese Antiteilchen zerstrahlen allerdings binnen winziger Bruchteile von Sekunden wieder: 30 Milliardstel Sekunden – zu kurz, um sie exakt zu analysieren. Wenn Antiteilchen länger als Sekundenbruchteile leben sollen, muss man sie von unserer Welt sorgfältig fernhalten. Das schaffen die Physiker heute in den langen Vakuumröhren ihrer Hochenergielabore. Magnetfelder trennen dort die gegensätzlichen Teilchen, damit sie sich nicht sofort wieder auslöschen. Anschließend sortieren die Physiker die gesuchten Antiteilchen (z. B. Antiprotonen) heraus, bündeln sie in eine gemeinsame Richtung und bringen sie auf eine einheitliche Geschwindigkeit. Zum Pulk zusammengeschoben kommen sie anschließend in einen Speicherring, der bis zu 27 Kilometer Umfang haben kann. Darin rasen sie dann – getragen von Magnetfeldern und angetrieben von gepulsten elektrischen Feldern – stundenlang im Kreis herum. Sie irgendwo abzulegen verbietet sich von selbst.

Zur Produktion von Atomen aus Antimaterie müssen verschiedene Antiteilchen Stück für Stück zusammengeführt werden. Ende 1995 produzierten Wissenschaftler am Forschungszentrum CERN erstmals Antiatome aus jeweils einem Antiproton und einem Positron. Die Positronen dazu gewannen sie beim Zerfall von radioaktivem Natrium (²²Na), Antiprotonen durch den Beschuss des Schwermetalls Iridium mit hochenergetischen Protonen. Ein Positron konnte dann von einem Antiproton eingefangen werden: ein Antiwasserstoff-Atom war entstanden. 2002 schaffte man es sogar schon, viele tausend Antiwasserstoff-Atome zu erzeugen und einzufangen.

Antimaterie, selbst schwerere Antiatome, lassen sich inzwischen nicht nur produzieren, sondern sogar speichern und manipulieren. Dazu muss man sie ausreichend kühlen, das heißt verlangsamen, um ihnen Energie zu entziehen. Sie können dann in speziellen elektromagnetischen Ionenfallen hinreichend lange bereitgestellt werden, um direkt mit ihnen zu experimentieren. Allerdings ist und bleibt diese Arbeit eine riesige Herausforderung: Die Anti-Atome sind elektrisch neutral und können die Ionenfallen verlassen; treffen sie auf Elektronen und Protonen der Materie, annihilieren sie und es entstehen hochenergetische Lichtquanten und Pionen.

Es wird inzwischen sogar mit kurzzeitigen Vereinigungen von Materie und Antimaterie experimentiert. Positronium (aus Positron und Elektron) ist der einfachste Fall. Protonium (aus Proton und Antiproton, die sich umkreisen) entsteht, wenn ein Antiproton mit einem ionisierten Molekül von gewöhnlichem Wasserstoff (H₂) reagiert und diesem dabei ein Proton entwendet. Das ist quasi der Beginn einer Antichemie.

Antimaterie ist zwar vor allem für die Grundlagenforschung interessant, aber sie hat auch einen praktischen Nutzen. Man verwendet Antimaterie zur medizinischen Diagnostik, z. B. zur Messung von Stoffwechselprozessen. Einige radioaktive Stoffe emittieren Positronen, die z. B. im PET (Positronen-Emissions-Tomographie) zur Untersuchung der Gehirnaktivität verwandt werden. Künftig könnte sich mit Antimaterie sogar Krebs bekämpfen lassen: Verglichen mit Protonenstrahlen haben Antiprotonenstrahlen die vierfache Zerstörungskraft bei Tumorzellen.

Energieerzeugung durch Annihilation

Der Prozess der Annihilation ist die beste Art der Energieerzeugung überhaupt. Würde ein Kilogramm Antimaterie zerstrahlt, könnte man 1,8 x 10^-17 Joule freisetzen. Das ist etwa 10 Milliarden Mal so viel Energie wie bei einer typischen chemischen Reaktion derselben Masse frei wird – und immerhin das 1000- bzw. 100-fache der Kernspaltung und Kernfusion. (Gäben sich ein Mensch und ein Antimensch die Hand, würde eine Explosion ausgelöst, die 50 000 Mal so viel Energie freisetzen würde wie die Hiroshima-Bombe.) Schon bei der Begegnung eines einzigen Gramms Antimaterie mit seinem Gegenstück würde durch Paarvernichtung sämtlicher Partikel eine Energie frei, die der Explosion von 40 000 Tonnen TNT entspricht – genug um fast 5000 Haushalte ein Jahr lang mit Energie zu versorgen.

Einige Wissenschaftler hoffen, dass sie Antimaterie eines fernen Tages als Treibstoff für Raumschiffe verwenden können. Der Ingenieur Gerald Jackson hält dies für einen Flug aus dem Sonnensystem hinaus für zwingend nötig. Doch bevor ein Antimaterie-Antrieb Wirklichkeit werden kann, müssen enorme Probleme überwunden werden. Wie produziert man die nötige Menge Antimaterie? Wie speichert man größere Mengen von Antimaterie? Wie wandelt man die Vernichtungsenergie in Schubkraft um?

Auf der Erde gibt es jedenfalls nicht genügend Energie, um Antimaterie in größerer Menge zu erzeugen. Diese würde nicht einmal reichen, um eine Tasse Tee damit zu erwärmen. Jackson schlägt daher vor, Antiprotonen im All einzufangen. Bei Explosionen auf der Sonne werden große Mengen an Positronen und Antiprotonen erzeugt. Etwa 80 Gramm sollen zwischen Venus und Mars um die Sonne kreisen; vermutlich bis zu 20 Kilogramm befinden sich innerhalb der Saturnbahn. Um Pluto zu erreichen, wären nur 30 Gramm Antimaterie erforderlich. Für einen Ausflug zum sonnennächsten Stern Proxima Centauri würden 17 Gramm benötigt. „Das ist nicht unmöglich“, meint Jackson, “ sondern nur eine Frage der Effizienz.“

[Allerdings kann zwar die gesamte Masse von Positronen in Strahlungsenergie umgewandelt werden, nicht aber die von Antiprotonen. Denn bei der Annihilation von Protonen bilden sich auch Neutrinos: Sie Tragen 75% der Energie davon, die sich technisch nutzen lässt.]

REM