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Was ist Antimaterie?

Oder: Warum gibt es nicht nur Nichts?

Beinahe unerschöpflicher Energielieferant und Raketenantrieb, hochexplosiver Sprengstoff mit gewaltiger Zerstörungskraft oder der Stoff, aus dem die bösen Zwillingswelten sind: Antimaterie regt seit ihrer Entdeckung die Fantasie der Menschen an. Viele der Vorstellungen sind zwar sehr weit vom physikalisch Möglichen entfernt, trotzdem ist Antimaterie auch für Teilchenphysiker ein faszinierendes Thema. Denn ihre Existenz und ihre Eigenschaften werfen wahrhaft fundamentale Fragen auf: Warum gibt es das Universum, warum gibt es uns, warum gibt es überhaupt irgendetwas? Denn nach allem, was Physiker bisher wissen, sollte es eigentlich nichts geben.

Aber erst einmal zu den Grundlagen: Antimaterie könnte man als eine Art Spiegelbild der normalen Materie bezeichnen. Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen, beispielsweise das Positron als Antiteilchen zum Elektron oder das Antiproton als Antiteilchen zum Proton. Es gibt auch Antiatome, beispielsweise Antiwasserstoff aus einem Antiproton und einem Positron. Teilchen und Antiteilchen unterscheiden sich nur darin, dass ihre Ladungen (beispielsweise die elektrische Ladung) oder genauer gesagt ihre ladungsartigen Quantenzahlen entgegengesetzt sind. Während das Elektron bekanntlich elektrisch negativ geladen ist, ist das Positron entsprechend positiv geladen. Andere Eigenschaften wie die Masse sind exakt gleich (soweit bisher bekannt). 1928 sagte der Physiker Paul Dirac aus theoretischen Überlegungen erstmals die Existenz von Antimaterie voraus, nachgewiesen wurden Positronen als erste Antiteilchen dann 1932, also bereits vor 75 Jahren. Und bis heute wird die Antimaterie genauer erforscht.

Energiequelle Antimaterie?

Auf diesem Bild einer Blasenkammer sieht man die Entstehung eines Materie- und eines Antimaterieteilchens. Bild: DESY

Antimaterie ist nicht so exotisch, wie man denken könnte; sie entsteht zum Beispiel beim radioaktiven Zerfall. Der Körper einer Person, die 80 Kilogramm wiegt, strahlt pro Stunde etwa 180 Positronen aus, die beim Zerfall eines bestimmten Isotops im Körper entstehen. Oder sie kommt aus dem All: Winzig kleine Mengen von Antimaterie regnen konstant in Form von kosmischer Strahlung auf die Erde. Und Positronen werden schon lange in der medizinischen Diagnostik verwendet, die PET, also Positronen-Emissions-Tomografie, ist ein wichtiges bildgebendes Verfahren, für das Positronen verwendet werden.

Spannend wird es, wenn Teilchen und Antiteilchen aufeinandertreffen: dann kommt es zur sogenannten Annihilation, das Paar vernichtet sich in einem konzentrierten Blitz reiner Energie. Das macht die Antimaterie so faszinierend für die Science Fiction-Literatur. Dort wird die Auslöschung von Materie und Antimaterie dann entweder als gefährliche Waffe oder als Energiequelle verwendet. Das Problem dabei: Die Antimaterie müsste erst aufwendig erzeugt werden - was deutlich mehr Energie benötigt, als später gewonnen wird. Auch nur einige wenige Gramm Antimaterie herzustellen, würde mit heutiger Technik Milliarden von Jahre dauern. Und selbst dann wäre noch nicht das Problem gelöst, wie diese Antimaterie solange gespeichert werden soll -schließlich darf sie ja nicht in Kontakt mit normaler Materie kommen, sonst: siehe oben.

Tatsächlich genutzt wird die Annihilation in Teilchenbeschleunigern, die Elektronen und Positronen kollidieren lassen. Aus der Energie, die bei der Auslöschung der Paare entsteht, bilden sich neue Teilchen, die dann untersucht werden können. Das ist deutlich "sauberer" als die Kollisionen von Teilchen wie Protonen, die aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sind. In solchen Kollisionen entsteht eine Vielzahl von Teilchen, von denen die meisten für die Forscher uninteressant sind.

Warum gibt es so viel Materie im Universum?

Wirklich spannend für Teilchenphysiker ist Antimaterie aber aus einem anderen Grund: sie hoffen, durch die genaue Untersuchung der Eigenschaften von Antimaterie einen Hinweis darauf zu finden, warum es das Universum, so wie wir es heute wahrnehmen, überhaupt gibt. Denn bisher gibt das Standardmodell der Teilchenphysik, die momentane theoretische Grundlage der Teilchenphysik, keine Erklärung dafür, warum es etwas gibt - im Gegenteil, nach dem Standardmodell dürfte das Universum eigentlich nur aus Energie bestehen.

Genauso, wie sich Teilchen und Antiteilchen beim Kontakt in Energie auflösen, können aus Energie neue Teilchen-Antiteilchenpaare entstehen. Kurz nach dem Urknall bestand im sehr heißen und dichten Universum ein Gleichgewicht der Erzeugung und Vernichtung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren. Einige Momente später kam es nur noch zur Vernichtung, weil im etwas "abgekühlten" Universum keine neuen Paare mehr gebildet wurden. Genauer gesagt: Die Energiedichte war nicht mehr hoch genug, damit aus der Energie neue Masse entstehen konnte. Ein Ergebnis dieses Vernichtungs-Prozesses sind die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung, die man noch heute messen kann. Eigentlich sollte es aber nur noch Energie geben, da sich alle Paare vernichtet haben müssten. Offensichtlich gibt es aber heute viel Materie und anscheinend wenig Antimaterie im Universum. Messungen zeigen, dass aus irgendeinem Grund für jede Milliarde Teilchen-Antiteilchen-Paare ein zusätzliches Materieteilchen entstanden sein muss. Das klingt nicht gerade nach viel, reichte aber aus, um das gesamte Universum, wie wir es kennen, zu bilden. Ein asymmetrischer Prozess in der Frühzeit des Universums muss für dieses Übergewicht gesorgt haben. Die dafür in Frage kommenden Prozesse des Standardmodells reichen jedoch zur Erklärung des Materieüberschusses nicht aus.

Wie untersucht man Antimaterie?

LHCb-Detektor

Der LHCb-Detektor. Mit ihm untersuchen Forscher den Zerfall bestimmter Teilchen, um einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie zu finden. Bild: CERN/LHCb

Deswegen beschäftigen sich verschiedene Experimente damit, zu erforschen, wie es zu dem Ungleichgewicht kommen konnte. Am LHC untersucht das LHCb-Experiment die asymmetrischen Zerfälle bestimmter Teilchen (die sogenannten B-Mesonen) und sucht nach Unterschieden bei der Entstehung von Materie und Antimaterie. Kleine Unterschiede wurden bereits gefunden, sie reichen jedoch nicht aus, um das Ungleichgewicht zu erklären. Ein ähnliches Experiment gibt es beispielsweise auch in Japan, am SuperKEKB-Beschleuniger wird vor allem der Belle II-Detektor bald ebenfalls solche B-Mesonen untersuchen.

Zusätzlich gibt es am CERN eine ganze Antimaterie-"Fabrik". Der Antiprotonen-Entschleuniger (oder Antiproton Decelerator, kurz AD) dient dazu, Antiprotonen einzufangen und soweit zu verlangsamen, dass sie genauestens untersucht werden können. Produziert werden die Antiprotonen, indem Protonen beinahe mit Lichtgeschwindigkeit auf einen Metallblock geschossen werden, wobei dann auch einige wenige Antiprotonen entstehen. Verschiedene Experimente am AD untersuchen die Eigenschaften dieser Antiprotonen oder sogar von Antiwasserstoff-Atomen auf das Genaueste, um vielleicht doch einen Unterschied zu normaler Materie zu finden. Der kleinste Unterschied in den Eigenschaften könnte ein Hinweis darauf sein, wie es zu dem Ungleichgewicht kam. Bisher war das Ergebnis der Messungen am AD jedoch immer perfekte Symmetrie.

Die Anlage am CERN wird bald erweitert. Noch in diesem Jahr soll der Extra Low ENergy Antiproton ring, kurz ELENA, an den AD angeschlossen werden. ELENA ist ein kleiner Entschleunigerring, der die Antiprotonen noch weiter verlangsamen soll, wodurch mehr von ihnen untersucht werden können. Das erste Experiment, das an ELENA Untersuchungen machen wird, nennt sich GBAR und beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Gravitation auf die Antimaterie. Denn bisher konnte nicht untersucht werden, wie die Schwerkraft auf Antimaterie wirkt. Vielleicht fällt sie ja nach oben? (Nach Meinung der meisten Forscher: eher nicht.)

Gibt es Antimaterie-Galaxien?

Andere Experimente untersuchen eine weitere Theorie: diese Forscher suchen im Universum nach Antimaterie-Atomen. Wenn sie beispielsweise Antisilizium-Atome finden würden, könnte das ein Hinweis darauf sein, dass ein weiterer Prozess nach dem Urknall dafür sorgte, dass es so viel Materie gibt: Teilchen und Antiteilchen könnten sich entmischt haben, wodurch jetzt in einem anderen Teil des Universums große Mengen Antimaterie vorhanden sind, die ganze Antimateriegalaxien bilden könnten. Wieder andere Experimente beschäftigen sich intensiv mit Neutrinos und untersuchen, ob sie ihre eigenen Antiteilchen sein könnten - denn nach bestimmten Theorien könnte der Zerfall von bisher nicht entdeckten, schweren Neutrinos für das Ungleichgewicht verantwortlich sein. Dafür müssten Neutrinos aber ihre eigenen Antiteilchen sein.

Die Antimaterie ist also wahrscheinlich nicht der Schlüssel zur zukünftigen Energieversorgung der Erde, aber vielleicht der Schlüssel zur Lösung einer noch existenzielleren Frage. Und auch wenn es vielleicht keine Antigalaxien mit Anti-Doppelgängern von uns gibt - die Antimaterie könnte uns doch sehr viel über uns und die Natur verraten.

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