Die wahre Geschichte der Antimaterie
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Die wahre Geschichte der Antimaterie Die wahre Geschichte der Antimaterie Philip Bechtle 8. Juli 2009 Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 1 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Handlung des Films Antimaterie wird vom Large Hadron Collider (LHC) am CERN gestohlen und im Vatikan versteckt Der Countdown zur Zerstörung des Vatikans läuft und ein Wettlauf mit der Zeit quer durch Rom beginnt. Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 2 Die wahre Geschichte der Antimaterie CERN – Hollywood-Version Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 3 Die wahre Geschichte der Antimaterie CERN – Wie es wirklich ist In der Nähe von Genf, auf der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich Und man kann es besuchen – nichts ist “top secret”, alle Resultate sind öffentlich und frei zugänglich Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 4 Die wahre Geschichte der Antimaterie CERN – Schöne Lage . . . Und mit gewaltigen und hoch komplexen wissenschaftlichen Experimnten: Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 5 Die wahre Geschichte der Antimaterie CERN Europäisches Forschungszentrum für Teilchenphysik Gegründet 1954 20 Mitgliedsstaaten 2500 Angestellte 8000 Wissenschaftler von anderen Institutionen 85 Nationalitäten Etwa 1000 deutsche Wissenschaftler Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 6 Die wahre Geschichte der Antimaterie Der Large Hadron Collider – Hollywood-Version Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 7 Die wahre Geschichte der Antimaterie Der Large Hadron Collider – echter Kontrollraum Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 8 Die wahre Geschichte der Antimaterie Es gibt sogar Iris-Scanner . . . Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 9 Die wahre Geschichte der Antimaterie Der echte Large Hadron Collider (LHC) Der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt 27km lang, 100m unter der Erde Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 10 Die wahre Geschichte der Antimaterie Der echte Large Hadron Collider (LHC) Der LHC bringt Teilchen zur Kollision . . . . . . um einige der größten Rätsel des Universums zu lösen Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 11 Die wahre Geschichte der Antimaterie Das echte ATLAS-Experiment Die schnellste und größte Digitalkamera der Welt: Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 12 Die wahre Geschichte der Antimaterie Das echte ATLAS-Experiment Die schnellste und größte Digitalkamera der Welt: Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 12 Die wahre Geschichte der Antimaterie Das echte ATLAS-Experiment Die schnellste und größte Digitalkamera der Welt: 40 Millionen Bilder pro Sekunde, entspricht der Datenmenge von 250 000 DVDs pro Sekunde Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 12 Die wahre Geschichte der Antimaterie Ziele der Experimente am LHC Was sind die fundamentalsten Bausteine der Materie? Wie wechselwirken diese Bausteine miteinander? Woher stammt die Masse der Teilchen? Was ist die Struktur von Raum und Zeit? Was ist dunkle Materie? Wie verhält sich Antimaterie im Vergleich zur Materie? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 13 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie Es gibt sie wirklich! Sie wird am Large Hadron Collider produziert Eine sehr große Menge an Antimaterie könnte sogar ganz Rom zerstören . . . Was genau ist Antimaterie und was sind ihre Eigenschaften? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 14 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie Es gibt sie wirklich! Sie wird am Large Hadron Collider produziert Eine sehr große Menge an Antimaterie könnte sogar ganz Rom zerstören . . . Was genau ist Antimaterie und was sind ihre Eigenschaften? ? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 14 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und ihre Bausteine Von hier . . . Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 15 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und ihre Bausteine . . . nach da: Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 15 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und ihre Bausteine Wir kennen 12 fundamentale Teilchen Quarks Leptonen Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 16 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und ihre Bausteine Wir kennen 4 verschiedene Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, z.B. die elektromagnetische Wechselwirkung ¡ Austausch von Photonen (γ) e− e− Raum γ e− e− Zeit Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 17 Die wahre Geschichte der Antimaterie Woraus besteht das sichtbare Universum? Alles Material, das uns im Alltag umgibt, aus dem die Erde und die Planeten, die Sonne, alle anderen Sterne und alle Galaxien aufgebaut sind, besteht nur aus Materie, und zwar ausschließlich aus diesen Bausteinen: Neutronen Protonen: Elektronen Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 18 Die wahre Geschichte der Antimaterie Woraus besteht das sichtbare Universum? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 19 Die wahre Geschichte der Antimaterie Woraus besteht das sichtbare Universum? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 19 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und Antimaterie Zu jeder Sorte Teilchen gibt es eine Sorte Antiteilchen Teilchen Antiteilchen Warum das? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 20 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Geschichte der Antimaterie Als theoretisches Konstrukt postuliert von P.A.M. Dirac im Jahr 1928 Entdeckt 1933 von Carl Anderson und Seth Neddermeyer, erzeugt von kosmischer Strahlung Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 21 Die wahre Geschichte der Antimaterie Raum und Zeit Für uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt: Wir können uns vorwärts und rückwärts im Raum bewegen Raum Aber wir können uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen: Zeit Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 22 Die wahre Geschichte der Antimaterie Raum und Zeit Für uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt: Wir können uns vorwärts und rückwärts im Raum bewegen Raum Aber wir können uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen: Zeit Das kann ganz schön nervig sein . . . Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 22 Die wahre Geschichte der Antimaterie Raum und Zeit . . . weil man in der Zeit mal eben nicht zurück gehen kann, um etwas zu reparieren . . . Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 23 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie und Zeit Dirac fand heraus, daß sich das Verhalten der Elementarteilchen sehr gut beschreiben läßt, wenn man annimmt, daß es zwei verschiedene Verhaltensweisen der Teilchen in der Zeit gibt: Materie: Zeit Antimaterie: Zeit Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 24 Die wahre Geschichte der Antimaterie So ein Verhalten ist attraktiv, weil . . . ¢ £ ¤ Diese Sicht der Natur ist hoch symmetrisch, und PhysikerInnen mögen Symmetrie! Elektron wechselwirkt mit Photon: Materie und Antimaterie verschwindet: Photon erzeugt Materie und Antimaterie: e− e− γ γ∗ e− γ∗ e− e− e− Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 25 Die wahre Geschichte der Antimaterie Rückwärts in der Zeit oder nur ein anderes Ladungsvorzeichen? ¥ ¦ Andererseits ist ein sich rückwärts in der Zeit bewegendes negativ geladenes Teilchen nichts anderes als ein sich vorwärts in der Zeit bewegendes positiv geladenes Teilchen: Elektron rückwärts in der Zeit: e− e− Positron vorwärts in der Zeit: e+ e+ Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 26 Die wahre Geschichte der Antimaterie Rückwärts in der Zeit oder nur ein anderes Ladungsvorzeichen? § ¨ Andererseits ist ein sich rückwärts in der Zeit bewegendes negativ geladenes Teilchen nichts anderes als ein sich vorwärts in der Zeit bewegendes positiv geladenes Teilchen: Elektron rückwärts in der Zeit: e− e− Positron vorwärts in der Zeit: e+ e+ Also ist ein Positron, das Antiteilchen des Elektrons, nichts anderes als ein Elektron mit positiver Ladung Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 26 Die wahre Geschichte der Antimaterie Aber . . . Was ist eigentlich vorwärts und was ist rückwärts? Oder was ist positiv und was negativ? Oder was ist links und was ist rechts? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 27 Die wahre Geschichte der Antimaterie Aber . . . Was ist eigentlich vorwärts und was ist rückwärts? Oder was ist positiv und was negativ? Oder was ist links und was ist rechts? Antimaterie als perfektes Spiegelbild der Materie? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 27 Die wahre Geschichte der Antimaterie Können wir Antimaterie herstellen? Wir tun dies routinemäßig im Labor: γ∗ © e+ e− Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 28 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie in der Natur Auch in der Natur wird ständig Antimaterie erzeugt: Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 29 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und Antimaterie Anti Tom Hanks würde ziemlich genauso aussehen wie . . . Tom Hanks Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 30 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und Antimaterie ª Doch wenn sie aufeinandertreffen . . . e+ e− γ∗ Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 31 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie und Antimaterie « Doch wenn sie aufeinandertreffen . . . e+ e− γ∗ E = mc 2 Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 31 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie in Illuminati Rom wird von einem Viertelgramm Antimaterie bedroht Die Reaktion zwischen einem Viertelgramm Materie und einem Viertelgramm Antimaterie entspricht 10 Kilotonnen TNT Zum Vergleich: Die Hiroshima-Bombe hatte eine thermische Energie von etwa 15 Kilotonnen TNT-Äquvalent Mehr als genug, um den Vatikan und ganz Rom zu zerstören . . . Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 32 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie im Labor ist sicher Wir stellen nur sehr wenig Antimaterie her Während eines Jahres produzieren wir etwa 0.000 000 001 g Antimaterie Wir würden 250 Millionen Jahre brauchen, um ein viertel Gramm Antimaterie herzustellen Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 33 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie im Labor ist sicher Man kann Antimaterie nicht so einfach transportieren oder speichern Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 34 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie ist ziemlich nutzlos als . . . . . . Energiequelle, denn: Jedes Antiteilchen muß einzeln hergestellt werden Das verbraucht mehr Energie, als nachher herauskommt Sie kann nur schwer gespeichert werden Sie kann quasi nicht transportiert werden Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 35 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie kann aber auch sehr nützlich sein! Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffen in einer Explosion vernichten. Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 36 Die wahre Geschichte der Antimaterie Antimaterie kann aber auch sehr nützlich sein! Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffen in einer Explosion vernichten. Was würden Sie sagen, wenn Ihnen jemand vorschlagen würde, gezielt und absichtlich Antimaterie in Ihren Körper (der ja wie alles um uns herum aus Materie besteht) zu tun? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 36 Die wahre Geschichte der Antimaterie Positron-Emissions-Tomographie Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 37 Die wahre Geschichte der Antimaterie Wir verwenden Antimaterie . . . . . . Um einige der größten Rätsel des Universums zu lösen: Was verursacht die Masse der Elementarteilchen? Woraus besteht das Universum hauptsächlich? Was ist die Struktur von Raum und Zeit? Warum gibt es überhaupt so viel Materie und so wenig Antimaterie im Universum? ... Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 38 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Suche nach Antworten . . . . . . erfolgt in Teilchenphysik-Laboren auf der ganzen Welt: Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 39 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Suche nach Antworten . . . . . . und in enger Kooperation mit diesen Forschungszentren an Universitäten in ganz Deutschland Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 40 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Untersuchung der Antimaterie Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direkten Vergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 41 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Untersuchung der Antimaterie Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direkten Vergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 42 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Untersuchung der Antimaterie Was wird in diesen Experimenten gemessen? Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 43 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Untersuchung der Antimaterie Was wird in diesen Experimenten gemessen? Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen Was wäre, wenn beide Pendel immer gleichmäßig schwingen würden? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 43 Die wahre Geschichte der Antimaterie Materie im (Zerr-)Spiegel Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 44 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Entwicklung des Universums Antimaterie kann kein perfektes Spiegelbild der Materie sein Sonst gäbe es uns nicht, denn dann hätte sich die Materie und die Antimaterie fast vollständig gegenseitig vernichtet: Keine Galaxien, Sonnen, Planeten, etc. Wir messen einen winzigen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, der zu klein ist für die Erklärung unserer Existenz Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 45 Die wahre Geschichte der Antimaterie Die Entwicklung des Universums Antimaterie kann kein perfektes Spiegelbild der Materie sein Sonst gäbe es uns nicht, denn dann hätte sich die Materie und die Antimaterie fast vollständig gegenseitig vernichtet: Keine Galaxien, Sonnen, Planeten, etc. Wir messen einen winzigen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, der zu klein ist für die Erklärung unserer Existenz Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 45 Die wahre Geschichte der Antimaterie Aufklärung am LHC? Wir wissen nicht, ob die nächste Generation unser Experimente am LHC uns eine Antwort liefert Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 46 Die wahre Geschichte der Antimaterie Aufklärung am LHC? Wir wissen nicht, ob die nächste Generation unser Experimente am LHC uns eine Antwort liefert denn wenn wir die Antwort schon wüßten, dann müßten wir die Experimente nicht machen. Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 46 Die wahre Geschichte der Antimaterie Eine Frage zum Schluß Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verläuft? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 47 Die wahre Geschichte der Antimaterie Eine Frage zum Schluß Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verläuft? Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 47 Die wahre Geschichte der Antimaterie Eine Frage zum Schluß Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verläuft? Nur die Zunahme des Chaos bestimmt unser Zeitempfinden . . . Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 47 Die wahre Geschichte der Antimaterie Ihre persönliche Sicht der Geschichte des Universums Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere Körper bestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt Kaum ein Atom in uns ist jünger als 4.5 Milliarden Jahre Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburt beteiligt Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der ersten Sterne Jeder von uns war einmal über eine Million Lichtjahre verteilt Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 48 Die wahre Geschichte der Antimaterie Ihre persönliche Sicht der Geschichte des Universums Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere Körper bestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt Kaum ein Atom in uns ist jünger als 4.5 Milliarden Jahre Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburt beteiligt Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der ersten Sterne Jeder von uns war einmal über eine Million Lichtjahre verteilt Obwohl wir schon so lange da sind und so unbeschreiblich viel gelernt haben: Warum es uns (und die ganze Materie um uns herum) überhaupt noch gibt beginnen wir gerade erst zu verstehen Öffentlicher Abendvortrag 08.07.2009 48
