Materie und Antimaterie
Jedermann hat schon von Antimaterie gehört - aber was ist das eigentlich? Vor ein paar Jahren hat das europäische Forschungszentrum CERN Schlagzeilen gemacht, als dort erstmals Anti-Wasserstoff-Atome erzeugt wurden, aber im täglichen Leben treffen wir eigentlich nie auf diese geheimnisvolle Antimaterie. Dass das sehr gut ist, da sich Teilchen und Antiteilchen, die einander begegnen, gegenseitig vernichten und dabei sehr viel Energie abstrahlen, und was der neueste Stand der Forschung ist, berichtet der Physiker Manfred Jeitler in einem Gastbeitrag in der science.ORF.at-Reihe "Young Science".
Materie und Antimaterie - wieso
ist unsere Welt beim Urknall nicht gleich wieder verschwunden?
Von Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik der ÖAW
Kommt diese Energie, die bei der Begegnung von Teilchen und Antiteilchen
entsteht, aus dem Nichts? Mitnichten! Die von Albert Einstein geschaffene
Relativitätstheorie lehrt uns, dass Masse (oder, wenn man will, Materie) und
Energie eigentlich ohnehin dasselbe sind und man sie ineinander umrechnen kann,
so wie man auch Euro und Schilling gegeneinander umwechseln kann.
Allerdings ist der "Wechselkurs" ziemlich extrem, nicht einmal die
Italiener mit dem Umstieg von Lire auf Euro müssen so viele Nullen
wegstreichen! Der "Wechselkurs" von Materie und Energie wird nämlich
durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit gegeben (die Lichtgeschwindigkeit mit
sich selbst multipliziert).
Das europäische Beschleunigerzentrum CERN bei Genf. Eingezeichnet ist die Lage des unterirdischen Beschleunigertunnels. |
Unheilvolles Szenario
Da das Licht in einer Sekunde 300 Millionen Meter (300 000 km) zurücklegt,
müssen wir bei der Umrechnung von Masse in Energie (bei Verwendung der
gebräuchlichen Einheiten Kilogramm und Joule) 17 Nullen anhängen! Wir können
also sehr froh sein, dass wir im gewöhnlichen Leben nie mit Gegenständen aus
Antimaterie zu tun haben.
Diese würden bei der Berührung mit gewöhnlicher Materie nicht nur sofort
selbst verschwinden und eine ebensolche Menge Materie vernichten, sondern eine
Explosion von solcher Energie verursachen, dass die Explosion einer Atombombe
dagegen nur ein schwacher Funke wäre.
Gibt es denn dann überhaupt wirklich Antimaterie?
Vielleicht haben sich die Physiker da geirrt, etwas ausgerechnet, das man
dann ja doch nie sieht? Keineswegs! Die Hochenergiephysiker haben Tag für Tag
mit Antiteilchen zu tun, erzeugen sie in ihren Beschleunigern, messen sie in
ihren Detektoren, sehen zu, wie sich Antiteilchen und Teilchen gegenseitig
vernichten, oder wie aus bloßer Energie Teilchen-Antiteilchenpaare entstehen.
Dass niemand sonst etwas von diesen Vorgängen merkt, liegt daran, dass die
Elementarteilchen so klein sind, so eine kleine Masse haben, dass selbst dann,
wenn man beim Umrechnen in Energie-Einheiten 17 Nullen anhängen muss, sich die
Energien noch sehr in Grenzen halten.
Regen von Teilchen und Antiteilchen
"Hochenergiephysik" ist also so zu verstehen, dass die untersuchten
Teilchen im Vergleich zu ihrer Masse sehr hohe Energien haben, ihre gesamte
Bewegungsenergie ist aber doch verschwindend gering im Vergleich zur
Bewegungsenergie etwa eines Autos oder Fahrrades.
Die Antiteilchen werden auch nicht nur künstlich erzeugt, sie entstehen
ständig bei Kollisionen hochenergetischer Teilchen aus dem Weltraum (der
sogenannten kosmischen Strahlung, siehe Abbildung) mit den Atomen der
Erdatmosphäre, und viele von diesen erreichen dann auch die Erdoberfläche, um
dann aber alsbald zu zerfallen und mit gewöhnlicher Materie zu
"zerstrahlen".
Wir stehen also ständig in einem Regen von Teilchen und Antiteilchen, der
allerdings glücklicherweise so schwach ist, dass wir ohne spezielle Detektoren
nichts davon bemerken.
Die Erdatmosphäre wird ständig von hochenergetischen Teilchen aus dem Weltraum getroffen. Beim Zusammenstoß mit den Atomen der Luft entstehen sekundäre Teilchen und Antiteilchen |
Was wissen wir von den
Antiteilchen?
Tatsächlich wurden die Antiteilchen zuerst vorausgesagt (1930, von
Physik-Nobelpreisträger Paul Dirac) und erst dann experimentell gemessen (1932
wurden erstmals "Positronen", die Antiteilchen der Elektronen,
gesichtet). Und die theoretischen Berechnungen lehren uns noch etwas anderes:
beim so genannten Urknall entstanden vorerst genauso viele Antiteilchen wie
Teilchen!
Warum? Jeder kennt den Spruch: Aus nichts wird nichts! Die Welt ist aber gar
nicht aus dem Nichts entstanden, sondern aus reiner Energie. Nun kann sich aber
Energie nicht einfach in Materie verwandeln, sondern nur in Paare von Teilchen
und Antiteilchen (also Materie und eine entsprechende Menge Antimaterie).
Summe aller Quantenzahlen darf
sich nicht ändern
Auch das kann man wieder ein bisschen mit der Geldwirtschaft vergleichen. Man
kann nicht einfach Geld "erzeugen" (außer man betreibt eine
inflationäre Politik). Wenn aber die Sparer ihr Geld auf die Bank tragen,
können die Firmen dieses Geld in Form von Krediten bekommen. Die Summe der
Spareinlagen muss immer der Summe aller Kredite (plus Rücklagen der Bank)
entsprechen.
Die Physiker drücken das so aus: alle Teilchen haben so genannte
"Quantenzahlen", und die Summe aller Quantenzahlen darf sich nicht
ändern. So hat zum Beispiel ein Proton die "Baryonzahl" +1 (plus
eins), und ein Antiproton die Baryonzahl -1 (minus eins). Wenn vorher in der
Welt die Summe aller Baryonzahlen Null war, so kann ich ein
Proton-Antiprotonpaar erzeugen, und die Summe (1-1) ist noch immer Null.
"Ewige" Naturgesetze
Aber was heißt hier "darf", wer "verbietet" denn, dass
sich die Summe ändert? Kommt da die Teilchenpolizei und gibt dem Proton ein
Strafmandat? Natürlich nicht, gemeint ist hier vielmehr, dass man das einfach
nie beobachtet hat, es ist also eine Erfahrungstatsache, die als
"Verbot" formuliert wird.
Und da wir annehmen, dass beim Urknall die Naturgesetze dieselben waren wie
heute (sonst könnten wir ja gar keine Aussagen darüber machen), erwarten wir
auf Grund unserer heutigen Erfahrung bei physikalischen Experimenten, dass
damals genauso viel Materie wie Antimaterie entstanden sein muss.
Der Urknall
Astronomen, Kosmologen und
Physiker haben gemeinsam ein ziemlich genaues Bild davon erarbeitet, wie unsere
Welt entstanden ist. Vor gut 10 Milliarden Jahren war das Weltall nur so groß
wie ein Punkt (eine "Singularität", wie man dies wissenschaftlich
bezeichnet, ein Objekt ohne irgendeine Ausdehnung - was wir uns natürlich auch
kaum vorstellen können), und wir wissen nicht, was vorher war, ja viele
bestreiten, dass es überhaupt Sinn hat, nach dem "Vorher" zu fragen,
denn zu jenem Zeitpunkt entstanden auch Raum und Zeit selber.
Tatsache ist wohl, dass es damals eine Art Explosion gab, der Punkt begann, sich
sehr schnell auszudehnen. Diese Ausdehnung findet noch immer statt und wird nach
neuesten Erkenntnissen vermutlich bis in alle Ewigkeit weiter dauern.
(Augenfälliges Anzeichen dafür ist die sogenannte "Rotverschiebung"
ferner Galaxien: durch den so genannten Doppler-Effekt erscheint deren Licht zu
längeren Wellenlängen, ins Rote, verschoben.)
Beim Urknall entstanden Teilchen und Antiteilchen, viele sind bald wieder
verschwunden, haben sich gegenseitig vernichtet oder sind zerfallen, und unsere
heutige Welt mit allen Sternen, Galaxien, Planeten, Apfelbäumen und Autos
besteht aus den Teilchen, die bis heute überlebt haben.
Aber - wieso sind wir dann
überhaupt hier?
Wieso haben sich nicht gleich nach dem Urknall alle Teilchen mit ihren
Antiteilchen gegenseitig vernichtet? Nun, man könnte sich denken, dass die
Teilchen beim Urknall so rasch auseinander flogen, dass sie einfach keine Zeit
hatten, das entsprechende Antiteilchen zu finden. Natürlich, dort wo sich
später Materie zusammengeballt hat, in den Sternen, ist es verständlich, dass
nur jeweils Materie oder Antimaterie überbleiben konnte, der Rest musste wohl
zerstrahlen.
Wir, unsere Erde, die anderen Planeten und die Sonne bestehen aus Materie. Sind
vielleicht andere Sonnensysteme in unserer Nachbarschaft aus Antimaterie
aufgebaut? Soviel wir wissen, nein, in unserer ganzen Milchstraße gibt es
praktisch keine Antimaterie. Das könnte man sich dadurch erklären, dass die
verschiedenen Sonnensysteme und die "interstellare Materie" einander
zu oft begegnen und dass daher etwaige Antimaterie-Sonnen schon zerstrahlt sind.
Der Raum zwischen den Sternen ist keineswegs völlig leer, sondern enthält an vielen Stellen Gasnebel, wie hier den berühmten Adler-Nebel, und andere Formen sogenannter "dunkler Materie". |
Bestehen alle Galaxien aus
Materie?
Aber andere Galaxien könnten doch wohl aus Antimaterie bestehen? Müssen
künftige Raumreisende also da recht vorsichtig sein, bevor sie in einer anderen
Galaxie landen? (Immerhin haben sie auf der Reise dorthin ja einige Millionen
Jahre Zeit, sich das gut zu überlegen!) Soviel wir wissen, bestehen aber auch
alle anderen Galaxien aus Materie und nicht aus Antimaterie.
Dafür gibt es viele Hinweise, unter anderem sucht man in der kosmischen
Strahlung nach "primären Antiteilchen", also Antiteilchen, die aus
dem Kosmos kommen und nicht bei Zusammenstößen in der Atmosphäre entstanden
sind, und bis jetzt wurden keine solchen aus den Tiefen des Weltalls stammende
Antiteilchen gefunden.
Wir sind die Mauerblümchen!
Wenn es also tatsächlich im Weltall keine nennenswerten Mengen von
Antimaterie gibt, so müssen die Physiker sich wohl einen Mechanismus
überlegen, der aus der anfänglichen Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie
- der Tatsache, dass es von beiden gleich viel gab - eine gewisse Asymmetrie
geschaffen hat. Dabei kann man sich durchaus vorstellen, dass diese Asymmetrie
nicht sehr ausgeprägt ist. Es gibt im Weltall so viel Strahlung, dass wir uns
vorstellen können, dass der Großteil der ursprünglich vorhandenen Materie mit
der gesamten Antimaterie zerstrahlt ist - ein kleines bisschen Materie ist aber
übergeblieben!
Wir und unsere Planeten und Sonnen führen also so eine Art Mauerblümchendasein
wie die Mädchen (oder Burschen), die in der Tanzschule keinen Partner gefunden
haben, weil eben einfach ein paar Mädchen zu viel (oder zu wenig) da sind. In
der Tanzschule ist das vielleicht etwas traurig, für uns ist es aber eher ein
Grund zur Freude: wir würden ja sonst nicht im Walzertakt über das Parkett
gleiten, sondern nur als Lichtquanten durchs Weltall hetzen und damit zwar ein
recht flottes, aber doch eher eintöniges Dasein fristen.
Andrej Sakharov: "CP-Verletzung"
Wie sieht es aber nun mit diesem geheimnisvollen Mechanismus aus, der eine
zwar kleine, aber doch merkliche Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie
schaffen soll? Gibt es da schon irgendwelche Ideen, oder ist das alles
einstweilen nur hochtheoretische Spekulation?
Keineswegs: es gibt konkrete Ideen. Das Zauberwort lautet "CP-Verletzung".
(Das ist schon richtig geschrieben, niemand will etwa ihren geliebten
"PC" zertrümmern.) Die Idee, den Überschuss von Materie über
Antimaterie im Weltall mit der CP-Verletzung zu erklären, stammt von dem
russischen Physiker Andrej Sakharov.
Der älteren Generation ist dieser Name vielleicht auch deshalb vertraut, weil
Sakharov einer der prominentesten Dissidenten in der Sowjetunion war - nachdem
er vorher die sowjetische Version der Wasserstoffbombe geschaffen hatte. Um aber
zu erklären, was es mit dieser "CP-Verletzung" denn auf sich habe,
muss man etwas weiter ausholen.
Symmetrie in der Anatomie
Eine grundlegende Rolle bei den Überlegungen der modernen Physik spielen verschiedene Symmetrien. Symmetrie ist uns allen ein Begriff. Menschen sind rechts-links-symmetrisch, wir haben auf jeder Seite je ein Ohr, ein Auge, einen Arm und so weiter. Der anatomisch Interessierte weiß jedoch, dass diese Symmetrie nicht durchgehend gilt: schneidet man einen Menschen auf, so sieht man, dass die linke Herzhälfte größer als die rechte ist, die Anzahl der Lungenlappen rechts und links unterscheidet sich, und so weiter. Die Symmetrie ist also eindeutig vorhanden, ist aber bei näherem Hinsehen in mancher Hinsicht verletzt.
Symmetrie der Elementarteilchen
Bei Elementarteilchen, die man sich naiv wohl am ehesten als kleine glatte
Kügelchen vorstellt, würde man wohl einen hohen Grad an Symmetrie erwarten.
Tatsächlich hat man festgestellt, dass die meisten Prozesse unter Spiegelung
symmetrisch sind.
Man sagt, die "Parität" (abgekürzt P) sei erhalten. Zeichnet man
also den spiegelbildlichen Vorgang auf, so erhält man meist einen Vorgang, der
in der Natur mit derselben Wahrscheinlichkeit auftritt. Wohlgemerkt: meist! Es
gibt nämlich eine Klasse von Vorgängen, die der sogenannten "Schwachen
Wechselwirkung", bei denen das keineswegs der Fall ist!
Eine andere Symmetrie bei Elementarteilchen ist eine, die wir in unserer "makroskopischen"
Welt aus gutem Grunde nicht kennen: die unter Austausch von Teilchen und
Antiteilchen (genannt C-Symmetrie, vom englischen "Charge" für
Ladung). Makroskopisch gesprochen: ein Anti-Hund bellt genauso wie ein Hund.
Aber gottseidank laufen wir ja nicht Gefahr, beim Rollschuhlaufen von
Anti-Hunden gebissen zu werden. Tatsächlich erhalten wir aber bei
Elementarteilchen wieder für die meisten Prozesse dieselben
Wahrscheinlichkeiten, wenn wir ein jedes Teilchen durch sein Antiteilchen
ersetzen. Und wiederum gibt es hier eine Ausnahme: wieder ist das schwarze Schaf
die "Schwache Wechselwirkung", bei der das nicht der Fall ist.
Verletzung der CP-Symmetrie
Als man die Verletzung der P- und der C-Symmetrie bemerkt hat (die Verletzung
der Parität in der Schwachen Wechselwirkung wurde in einem von der
Nobelpreisträgerin C.S. Wu 1957 durchgeführten Experiment eindeutig bewiesen),
war das ein schwerer Schlag für viele Physiker, die durch vorhandene Symmetrien
auf ein einfaches Modell der Natur hofften.
Ein kleiner Trost war dabei, dass wenigstens die kombinierte CP-Symmetrie
erhalten schien: vertauscht man Teilchen mit Antiteilchen und spiegelt
gleichzeitig das Geschehen, so laufen auch alle Vorgänge der "Schwachen
Wechselwirkung" wieder mit genau denselben Wahrscheinlichkeiten ab.
Wirklich alle? Nein! Es gibt Ausnahmen: beim Zerfall der so genannten
"neutralen Kaonen" und "neutralen B-Mesonen" (zweier Arten
von Elementarteilchen) ist auch die kombinierte CP-Symmetrie verletzt, wie
erstmals 1964 experimentell für den Fall der Kaonen festgestellt wurde. (Der
Nachweis für die neutralen B-Mesonen wurde erst letztes Jahr gebracht.) Das hat
zwar so manche Physiker in ihrem ästhetischen Empfinden gestört, andererseits
konnte aber, wie bereits erwähnt, Sakharov gerade auf diesem Sachverhalt
aufbauend eine erste Theorie entwickeln, mit deren Hilfe das Überwiegen der
Materie über die Antimaterie erklärt werden kann.
Neutrinos drehen sich, in Flugrichtung betrachtet, immer nach links. Ihre Antiteilchen, die Antineutrinos, drehen sich dagegen stets nach rechts. Durch Spiegelung eines Neutrinos (Transformation "P") würde man ein rechtsdrehendes Neutrino erhalten (das es nicht gibt). Ersetzt man dieses nun aber zusätzlich durch ein Antineutrino (Transformation "C") erhält man ein rechtsdrehendes Antineutrino. Beide Transformationen hintereinander ausgeführt (kurz als CP-Transformation bezeichnet) ergeben also wieder einen existierenden Zustand.
Ist damit nun alles geklärt?
Haben wir bereits die endgültige Bestätigung dafür, dass unsere Existenz
nicht mit den Gesetzen der Physik im Widerspruch steht? Nicht ganz. Die bis
jetzt gemessenen Effekte der CP-Verletzung reichen noch nicht aus, das
Verhältnis von Materie und Antimaterie zu erklären, und sowohl Experiment wie
auch Theorie haben noch so manche Arbeit zu leisten, bis alles richtig
verstanden sein wird.
So arbeitet auch das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen
Akademie der Wissenschaften bei Experimenten am CERN in Genf sowie am KEK in
Japan mit, um den genauen Mechanismus der CP-Verletzung besser verstehen zu
lernen (in Genf werden die oben erwähnten Kaonen, in Japan die B-Mesonen
untersucht).
Aber die Ansätze sind vielversprechend, und so können wir mit Recht hoffen,
dass wir eines Tages unsere Existenz und die Existenz der Welt nicht nur einfach
als offensichtlich hinnehmen werden müssen, sondern auch wirklich verstehen
werden.
Aktuelle und weiterführende Links zum Thema:
Forschungszentrum
CERN in Genf
Onlinemagazin
Wissenschaft.de
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