Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld

Inhaltsübersicht Was ist Antimaterie? Ihre Geschichte Anwendungen Vorhersage ihrer Existenz durch Dirac Nachweis durch Anderson Anwendungen Herstellung Antrieb / Waffe Aktuelle Forschung Zusammenfassung

Was ist Antimaterie? Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit identischer Masse und Spin, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen bei der Ladung bzw. bestimmten Quantenzahlen⁰ Ein Antiproton ist zusammen mit einem gebundenen Positron ein Antiatom Mehrere Antiatome zusammen können als Antimaterie bezeichnet werden ___________________ [0] David Halliday. Physik. Wiley-VCH Verlag 2003

Geschichte der Antimaterie Schrödinger-Gleichung (SG) 1926 war zunächst Höhepunkt der neuen QM¹, aber die spezielle Relativitätstheorie war nicht enthalten Dirac stellte 1928 Wellengleichung (DG) für Fermionen (insb. Elektronen) auf Großer Erfolg: Elektronenspin S=½ħ folgte automatisch aus ihr ___________________ [1] http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v5.pdf

Paul A.M. Dirac 1902 - 1984

Nachteil der DG: Struktur der Gleichung, 4x4 Matrizen mit Viererspinor { Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4} als Lösung ( 1/c ∂/∂t + ∂/∂x + ∂/∂y + ∂/∂z - i/ħ m) Ψ = 0 (1.1) Mit den Gamma-Matrizen sind die Pauli-Matrizen: z.B.: i -i

Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3} erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)

Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3} erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)

handlicher: Mit Coulombpotential für ein gebundenes Elektron kann die komplizierte DG in 2 gekoppelte Gleichungen aufgespalten werden: c σp ψS + mc2 ψL + VC ψL = E ψL (1.3) c σp ΨL - mc2 ΨS - VC ΨS = E ΨS mit p: dreier Impuls; ψL / ΨS : 2 Komponentige Spinoren, die den Spin parallel/antiparallel zum Impuls p angeben

Für Lösungen mit positiver Energie E und schwachem Potential ist ΨS um kleiner als ψL und kann vernachlässigt werden Für ein freies Elektron ( =0) ergeben sich die Eigenwerte E: E = + c {p²+ m²c²}1/2 bzw. E = - c {p²+ m²c²}1/2 (1.4) Für ≠0 ergeben sich gebundene Zustände mit –mc² < E < +mc²

Negative Eigenwerte? Loch zwischen den Energielösungen?

Dirac hat sie nicht wie üblich einfach als „unphysikalisch“ verworfen Für eine sinnvolle Erklärung postulierte er: 1. alle negativen Energiezustände sind mit der nach dem Pauli-Prinzip möglichen Anzahl an Elektronen besetzt 2. man kann 1. nur beobachten, wenn man eines dieser Elektronen in das positive Energiekontinuum befördert; Das entstehende „Loch“ im negativen Energiekontinuum hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron, bis auf die entgegengesetzte Elementarladung; damit ist das Positron das Antiteilchen zum Elektron

3. Wenn ein Elektron auf ein Positron trifft, zerstrahlen sie in zwei entgegengesetzte Gammaquanten, deren Energie der Ruheenergie für ein solches Paar entspricht (jeweils 511keV) 4. Punkt 3. gilt für alle Fermionen, auch Proton/Antiproton (Energie hier jeweils 938MeV)

___________________ http://svs.gsfc.nasa.gov/search/Keyword/index.html

Der Nachweis durch Anderson Viele wollten Diracs Behauptung beweisen, Carl David Anderson war der schnellste Anderson verwendete die 1910 von Wilson erfundene Nebelkammer

Carl David Anderson 1905 – 1991 Nebelkammer von Wilson Schematisch

Für einen Kreisbogen mit Radius ρ ergibt sich aus der Bedingung (1.5) Stärke und Richtung von B bekannt -> mit ρ kann man nur den Impuls (m∙v) des unbekannten Teilchens bestimmen Daraus ergeben sich drei Probleme:

1. Was kann man als Positronenquelle nutzen? 2. Bestimmung des Vorzeichens der Ladung; Aus welcher Richtung fällt das Teilchen ein? 3. Wie kann man Positron mit von einem Proton unterscheiden? Ad 1: -Zerfall 2 Jahre zuvor entdeckt, -Zerfall ( p -> n + + ) leider noch nicht (man hätte perfekt -Quelle nutzen können) Anderson sucht Positron in kosmischer Strahlung

Ad 2: Anderson teilt die Nebelkammer durch eine 6mm dicke Bleiplatte Bahnkrümmung vor Durchgang durch die Platte geringer als hinterher Einfallrichtung des Teilchens festgelegt Ad 3: Protonen und Positronen haben unterschiedliche Reichweite in der Nebelkammer Abschätzung der Masse des unbekannten Teilchens nach oben hin möglich

Das neu entdeckte Teilchen musste das von Dirac postulierte Positron sein: 1932 erstmalig in der Geschichte der Physik Antimaterie entdeckt

Heute hat man für alle stabilen und instabilen Elementarteilchen ihre Antiteilchen gefunden und genau vermessen

Erzeugung eines Elektronen-Positronen Paares in einer Blasenkammer

Anwendungen der Antimaterie-Technologie Antimaterie spielt große Rolle Bsp.: Positron-Emissions-Tomographie (PET) aktive C-, O- oder Fluor Nuklide werden in das Gehirn injiziert Nachweis der 511keV Vernichtungsstrahlung liefert sehr präzise Daten

PET-“Kamera“ aus segmentierten - Detektoren

Mit PET gemessene Hirn-Aktivitäten

Lokale β+ -Aktivität um das rote Fadenkreuz beim Beschuss eines Gehirntumors mit hochenergetischen 12C6+-Ionen (GSI Darmstadt)

Herstellung von Antimaterie - CERN CERN ist die Europäische Organisation für Kernforschung² Betreibt physikalische Grundlagenforschung Sehr bekannt für riesigen Teilchenbeschleuniger 20 Mitgliedsstaaten, 3400 Mitarbeiter Jahresbudget 2008: 694 Mio. € Weltweit führende Institution in der Herstellung von Antimaterie ___________________ [2] http://www.cern.de/

Teilchenbeschleuniger des CERN

1995 gelang erstmalig die Herstellung von Antiwasserstoff Herstellungsprozess: Teilchen werden extrem beschleunigt und auf Metall gefeuert Es entstehen Protonen und Antiprotonen In langem System werden extrem schnelle Antiprotonen gebremst und mit starken Magnetfeldern eingefangen Zusätzlich werden Positronen für Antiwasserstoff benötigt Wirkungsgrad:

Herstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff würde ~Trillionen US $ kosten Maximale Produktion: Weniger als 100 Antiwasserstoffatome pro Sekunde Herstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff nicht nur enorm teuer sondern auch langwierig

Antimaterie-Antrieb Idee in Sci-Fi Welt weit verbreitet Bekanntestes Schiff mit Antimaterie-Antrieb: Raumschiff Enterprise Extrem effektiv und hochenergetisch: Aus 1 Mikrogramm Antimaterie lassen sich 180 Mega Joules gewinnen 1 Gramm Antimaterie kommt 23 Tankfüllungen eines Space Shuttle gleich³ ___________________ [3] http://www.heise.de/tp/r4/artikel/18/18486/1.html

Schema eines Antimaterie-Triebwerks

Ein Antimaterie-Antrieb wäre nicht nur aufgrund der geringen Treibstoffmenge hochinteressant, er ist auch extrem schnell 17 Gramm Antimaterie genügen um Robotersonde in 40 Jahren nach Alpha Centauri zu schicken (4,34 Lichtjahre entfernt)

Antimaterie als Waffe / Bombe Eine Bombe mit Antimaterietechnologie hätte besondere Vorteile⁴ Man benötigt nur winzige Mengen für eine verheerende Zerstörungswirkung Annihilationsenergie wird sehr leicht frei -> kein Zündmechanismus erforderlich „Saubere“ Bombe: Radioaktive Verseuchung sehr viel geringer bzw. nicht vorhanden ___________________ [4] http://www.zeit-fragen.ch/ausgaben/2008/nr38-vom-1592008/cern-forschung-fuer-antimaterie-bomben/

Antimaterie Detektoren außerhalb der Erde? Aufwändig, aber eventuelle Antiteilchen würden sonst direkt in der Atmosphäre annihilieren Hochinteressant: Fund eines Antikohlenstoffkernes⁵ Kohlenstoff entsteht im Inneren von Sternen Wird bei Explosion ins All geschleudert Antikohlenstoff käme aus einem Stern, der ausschließlich aus Antimaterie besteht ___________________ [5] http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/452198/

Neutronenexperiment des PTB 2008 Physikalisch Technische Bundesanstalt⁶ Untersuchung der Stärke des elektrischen Dipolmoments von Neutronen Neutron enthält positiv und negativ geladene Quarks Liefert eventuelle Erkenntnisse über die Unterschiede von Materie und Antimaterie PTB hat in Berlin den magnetisch ruhigsten Ort der Erde erschaffen Ermöglicht hochpräzise Messungen im Neutronenexperiment ___________________ [6] http://idw-online.de/pages/de/news271952

Sammelt das Magnetfeld und lotst es um die Kabine herum Bild der Begehbaren Kabine aus Mumetall⁷ (enthält 78% Nickel, 16% Eisen, 4% Kobalt) Sammelt das Magnetfeld und lotst es um die Kabine herum ___________________ [7] http://www.ptb.de/de/publikationen/blickpunkt/biomagnetismus/magnetischeruhe.html

Größte Frage zu Antimaterie Beim Urknall müssen riesige Mengen Antimaterie entstanden sein (physikalische Symmetrie) Anstelle von Galaxien, Sternen und Menschen (Materie) müsste das Universum nur von Licht erfüllt sein Wohin ist die Antimaterie? Warum hat Materie sich durchgesetzt?

Zusammenfassung Antimaterie Spiegelbild zur normalen Materie 1928 von Dirac vorhergesagt 1932 von Anderson nachgewiesen Anwendungen als Antrieb/Waffe höchst interessant, Wirkungsgrad macht das aber noch utopisch Forschungszweig mit extrem hohem Potential Frage nach dem Verbleib der Antimaterie eine der wichtigsten des 21. Jahrhunderts