Antimaterie ist nicht nur Science-Fiction (2013)

Wie spannend diese Thema ist! Dass ich mich mit Antimaterie beschäftigt habe, obwohl Physik immer meine Schwachstelle im Bereich der Naturwissenschaften war und ist, habe ich Torben, dem Sohn meiner Freundin Petra, zu verdanken. Er hat mich gefragt, ob ich ihm etwas dazu erzählen könnte. Ich wusste bis zu meiner Recherche gar nicht, dass bereits so viele Antimaterieteilchen entdeckt bzw. hergestellt werden konnten und welche Bedeutung sie sogar schon im Alltag haben: Sie erklären die Entstehung der Welt/den Urknall in bisher neuer Weise, sie dienen der Hirnforschung und Tumordiagnose, in Form des PET-Scanners machen sie präzise Aufnahmen des menschlichen Körpers und ein Antiprotonenstrahl wird als effektivere Krebstherapie erforscht. Ich erfuhr etwas darüber, ob ein Antimaterieantrieb/WARP-Antrieb von Raumschiff Enterprise realistisch sein kann und dass natürlich auch über Waffensysteme mit Antimaterie nachgedacht und daran geforscht wird. Wie die bisherige Geschichte ja auch zeigt, kann jede Entwicklung und Forschung zum Fortschritt und zum Nachteil/zur Vernichtung von Lebewesen genutzt werden. So wird auch an diesem Thema wieder deutlich welche große Verantwortung  die Wissenschaftler_innen haben und wie wichtig es ist immer wieder über den eigenen "Tellerrand" hinauszublicken und interdisziplinär zusammen zu arbeiten.

Zunächst zur Materie, soweit wichtig für das Verständnis der Antimaterie

 

Atome und Elementarteilchen, soweit für das Thema interessant:

Wahrscheinlich erinnerst du dich noch gerlernt zu haben dass alle Materie aus Atomen besteht, die ursprünglich für die kleinsten Teilchen gehalten wurden ( atomos, griechisch: Unteilbar). Interssant fand ich damals zu erfahren, dass diese Idee von der Unteilbarkeit der Materie und dass alles auf kleinste Teilchen zurückzuführen sein muss, bereits ca. 400 v. Chr. von dem griechischen Philosophen Demokrit, erkannt wurde, nur durch Nachdenken. Die Vorstellungen vom Aufbau der Materie haben sich natürlich immer weiter entwickelt, aber die Grundidee hat auch heute noch Bestand. Die meisten Naturwissenschaftler_innen sahen noch gegen Ende des 19. Jahrhunderts in den Atomen die unteilbaren Bausteine der Materie. Mit dem noch heute gängigen Atommodell von Niels Bohr, das du wahrscheinlich kennengelernt hast, lassen sich auch heute noch viele Eigenschaften und Reaktionen von Stoffen erklären. Natürlich wurde auch dieses Atommodell mittlerweile durch weitere, spätere Modelle erweitert und verfeinert.

Mittlerweile wurden auch weitere Teilchen entdeckt, also noch kleinere Bausteine als Elektronen, Protonen und Neutronen: Neutrinos, Mesonen und fünf verschiedene Quarks (nach dem sechsten wird noch gesucht). Ebenso gibt es Überlegungen, ob es neben Quarks und Leptonen  noch kleinere Subeinheiten gibt. Hier ist vielleicht noch einiges zu entdecken.

 

Atommodell für das Alltagswissen

Für das Alltagswissen zur Antimaterie eignet sich das Bohrsche Atommodell noch gut. Danach besteht ein Atom aus einem, im Verhältnis zum Atom, winzig kleinen Atomkern, der positiv geladen ist und fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Der Atomkern besteht aus positv geladenen Protonen und neutralen, also nicht geladenen, Neutronen (Ausnahme Wasserstoff/Hydrogenium: Dieser Wasserstoffkern besteht nur aus einem Proton). Die Atomhülle, die fast den gesamten Raum des Atoms einnimmt, ist fast leer und enthält die negativ geladenen Elektronen, die fast keine Masse besitzen und sich je nach Atommodell auf Schalen, in Kugelwolken oder in Orbitalen aufhalten.

Jedes Reinelement besteht aus gleichen Atomen, die sich von den Atomen anderer Elemente unterscheiden und ihre Eigenschaften bedingen. Die meisten Elemente sind allerdings Mischelemente, die zwar die gleiche Anzahl Elektronen sowie Protonen und somit gleiche chemische Eigenschaften besitzen, aber unterschiedliche Anzahl von Neutronen und somit eine unterschiedliche Masse.

 

Beispiele von Atommodellen nach Bohr, die für die bisher entdeckten Antimaterieteilchen bedeutsam sind:

Das "leichte" Wasserstoffatom Hydrogenium besteht aus einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle.

Das "schwere" Wasserstoffatom Deuterium besteht aus einem Proton plus einem Neutron im Kern und einem Elektron in der Hülle.

Das "superschwere" Wasserstoffatom Tritium hat neben dem einen Proton zwei Neutronen im Kern und ebenfalls ein Elektron in der Hülle.

Das Edelgasatom Helium besteht aus zwei Protonen plus zwei Neutronen im Kern und zwei Elektronen in der Hülle.

 

Antiwelten, Antimaterie, Antiteilchen - Grundsätzliches und Beispiele

Bei meiner Recherche zur Antimaterie hat mich neben einigen Artikeln, die ich im Internet fand, vor allem das Buch von Dieter B. Herrmann motiviert und informiert (Antimaterie, Auf der Suche nach der Gegenwelt, München 2009, 4. Auflage). Es ist mE gut lesbar, gerade auch für Nicht-Expert_innen. Immer wieder begeistert mich allerdings auch wikipedia, weil Begriffe, Modelle und Theorien hier sehr informativ nachzulesen sind, wenn du es willst.

 

Was ist Antimaterie?

Antimaterie unterscheidet sich nach dem bisherigen Wissen von Materie nur dadurch, dass sie die entgegengesetzte Ladung zu den Materieteilchen besitzt. Interessant ist in diesem Zusammenhang vor allem, dass sich Materie- und Antimaterieteilchen gegenseitig vernichten, wenn sie aufeinandertreffen und dass dabei Energie in bedeutsamen Mengen entsteht; genauer, Masse in Energie umgewandelt wird

 

Bereits 1928 hat ein junger Mann von 26 Jahren, Paul Dirac, Engländer, eine Antimateriekonzeption, die Dirac-Gleichung, erdacht und ein positiv geladenes Elektron vorausgesagt; also ein Elementarteilchen, das sich von einem Elektron, dem Teilchen der Atomhülle, nur durch die Ladung unterscheidet. Dabei hat er die Quantenmechanik von Heisenberg und Schrödinger und die Relavitätstheorie von Einstein (an der auch seine erste Frau, Mileva Marić, massgeblichen Anteil gehabt haben soll) zusammengebracht, um eine Theorie des Elektrons zu erhalten. (s. D.B. Herrmann, S. 45). Danch müssen für alle Fermionen, also z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen, Neutrinos und Quarks, Antiteilchen existieren.

 

Folgende Antmaterieteilchen wurden bisher nachgewiesen:  (s. auch Foto)

Antielektron/Positron, ist das erste entdeckte Antiteilchen, das von Dirac vorausgesagt und 1932 von

                                Carl David Anderson experimentell in der kosmischen Strahlung entdeckt wurde
                                (Elektronen sind Atomteilchen der Elektronenhülle, haben kaum Masse und sind 
                                negativ geladen, s.o.; somit ist das Positron positiv geladen, bei gleicher Masse wie
                                das Elektron).

Antiproton, 1955, (Protonen sind die positiv geladenen Kernteilchen, s.o., Antiprotonen sind also negativ
                 geladen)

Antineutron, 1958 dadurch entdeckt, dass es beim Zusammentreffen mit einem Neutron zerstrahlte,
                  (Neutronen sind die neutralen Kernteilchen, s.o.)

Antiwasserstoffkern, 1965, im CERN in Genf, (das Antiteilchen zum Wasserstoffkern, aus einem Proton,
                               also ein Antiproton)

Anttritiumikerne, 1971, in Serpuchow in Russland, (das Antiteilchen zum Tritiumkern, dem Kern des
                         superschweren Wasserstoff, aus 2 Neutronen und einem Proton; der Antitritiumkern
                         besteht also aus 2 Antineutronen und einem Antiproton)

Antiheliumkerne, aus 2 Antiprotonen und 2 Antineutronen, in Serpuchow, Russland, (das Antiteilchen zum
                         Heliumkern, aus 2 Protonen und 2 Neutronen)

Antiwasserstoffatom, 1996, im LEAR-Speicherring bei CERN, also erstmals konnte ein Antiproton und ein
                                Antielektron/Positron zu einem ganzen Atom einfachster Bauart zusammengefügt
                                werden (s. D.B. Herrmann, S. 52; LEAR = Low Energy Antiproton Ring).

Denkbar sind also laut Herrmann (S:55) ebenso Antihelium, Antisauerstoff, Antigold, Antisilber usw.

 

Was passiert beim Zusammentreffen von Materie und Antimaterie?

Treffen die Elementarteilchen auf ihre entsprechenden Antiteilchen, so vernichten sie sich gegenseitig unter Erzeugung von Eergie wie es die Äquivalenz von Masse und Energie (oft auch Einstein-Formel genannt) nahelegt: Die Wirkung des Zusammentreffens von Materie und Antimaterie nennen die Physiker_innen Annihilation, auch Paarvernichtung oder Paarzerstrahlung. So erscheint es also wie ein wunderbarer Zufall, dass wir, unsere Welt, Materie überhaupt existiert, dass also nicht gleich viele Materie- und Antimaterieteilchen entstanden sind, die sich gegenseitig vollständig vernichten. An den Ursachen und Erklärungen dafür arbeiten die Forscher_innen intensiv, z.B. auch in dem

 

Erläuterung:

Trifft also ein Elektron (Elementarteilchen der Atomhülle, negativ geladen, s.o.), auf ein Antielektron oder Positron (gleiche Masse, entgegengesetzte Ladung, also positiv), so zerstrahlen sie; übrig bleibt bzw. es entsteht dabei Energie.

Ein Antitritiumkern, der Kern eines superschweren Wasserstoffatoms, aus 2 Neutronen und einem Proton, wird vernichtet, in Energie umgewandelt, wenn es auf sein Antiteilchen, aus 2 Antineutronen und einem Antiproton trifft, usw.. Hier wird es natürlich spannend; denn Energiegewinnung ist nicht nur in den Science-Fiction-Romanen ungemein wichtig, sondern heute eine der Herausforderungen für moderne Gesellschaften, wie ja auch täglich zu lesen und zu hören ist.

 

Gibt es also irgendwo Welten aus Antimaterie?

1932 wurden z.B. in kosmischer Höhenstrahlung Antielektronen/Positronen entdeckt. Die Neutrinos und Antineutrinos z.B. , die ungeladen sind, besitzen nur geringe Wechselwirkungen. Deshalb wird erwartet, dass viele von ihnen im Weltall vorhanden sind, dass sie eventuell einen Teil der dunklen Materie darstellen (s. D.B. Herrmann S. 81f.). Der Mond oder der Mars können z.B. nicht aus Antimaterie bestehen; denn sonst wären die dort Gelandeten, die Sonden, in Energie umgewandelt, verstrahlt worden (s. D.B. Herrmann, S. 56).

 

Das Auffinden von relevanten Mengen Antimaterie und die Möglichkeiten sie uns zunutze zu machen ohne uns dabei auszulöschen wären sensationell für die Energiegewinnung der Zukunft. Genaueres über das derzeitige Wissen und die aktuelle Forschung zur Nutzung der Energie aus der Annihilation sowie eine detailiiertere Beschreibung der bereits alltäglichen Anwendung der Antimaterie in der Medizin, die ich eingangs skizziert habe, kannst du in meinem nächsten Artikel lesen.