Antimaterie

1. Einleitung
In dieser Facharbeit werden wir uns mit Elementarteilchen und der Forschung
zum Thema Antimaterie beschäftigen. Um eine kurze Einleitung zu geben,
zeigen wir hier den historischen Verlauf der Teilchenphysik von Demokrit bis
CERN (franz. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Europäische
Organisation für Kernforschung).
Schon lange beschäftigt sich die Menschheit mit der Frage, aus was die Materie
um uns herum aufgebaut ist. Bereits vor über 2000 Jahren kamen der
griechische Philosoph Leukippos und sein Schüler Demokrit auf den Gedanken,
dass die Materie aus kleinsten unzerteilbaren Teilchen bestehe, den „Atomen“
(griech. unzerlegbar).
1897 entdeckte Joseph J. Thomson das Elektron, indem er nachwies, dass die
bis dahin unbekannte Strahlung aus Glühkathoden ein Strom aus Elektronen
ist. Wenige Jahre später (1911) beschoss Ernest Rutherford Goldfolie mit
Alphastrahlung und erkannte, dass ein großer Teil der Strahlung die Folie
ungehindert durchdrang. Daraus deutete er, dass Atome einen sehr kleinen
Atomkern besitzen, welcher aber einen Großteil der Masse trägt und von einer
Elektronenwolke umgeben ist, wobei er acht Jahre später das Proton als Kern
des Wasserstoffatoms entdeckte. Ein Schüler Rutherfords, James Chadwick,
erforschte die Beryllium-Strahlung als Strahl aus neutralen Teilchen, den
Neutronen, die er als weiteren Baustein des Atomkerns identifizierte. Nun
dachte man, endgültig die fundamentalen Bestandteile der Materie entdeckt zu
haben.
Als man feststellte, dass Neutronen zwar nach außen neutral sind, allerdings im
Inneren eine elektrische Ladungsverteilung vorliegt, schlugen die Physiker
Murray Gell-Mann (am California Institut of Technology) und George Zweig
(CERN) 1964 vor, dass die Kernbestandteile, Protonen und Neutronen, aus je
drei kleineren geladenen Teilchen bestehen, den Quarks. Nun konnte man den
"Teilchenzoo" in verschiedene Gruppen einteilen, die Leptonen und die
Hadronen wobei letztere aus Quarks aufgebaut sind.
Im Folgenden werden wir uns nur auf die für uns wichtigen Bestandteile des
Atoms beschränken, den Quarks (bzw. Protonen und Neutronen) und den
1
Elektronen, denn diese reichen aus, um das Prinzip der Antimaterie zu
erläutern.
Bereits im Jahre 1928 sagte Paul Dirac die Existenz von Antiteilchen voraus,
doch erst 1932 gelang der experimentelle Nachweis von Positronen
(Antielektronen) durch Anderson und Neddermeyer. 23 Jahre später stellte C.
D. Anderson erstmals Antiprotonen mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers im
Lawrence Berkleley National Laboratory her. Mit Hilfe des LEAR-Speicherrings
am CERN konnte 1995 unter der Leitung von Walter Oelert erstmals
Antiwasserstoff hergestellt und nachgewiesen werden.
Nicht
zuletzt
durch
die
Teilchenbeschleuniger
konnten
große
Forschungseinrichtungen, wie z.B. CERN, die Zusammenhänge zwischen den
Elementarteilchen
ergründen.
Der
weltweit
stärkste
betriebene
Teilchenbeschleuniger ist derzeit der Large Hadron Collider und steht am
CERN.
Zum Ende unserer Facharbeit werden wir uns mit der Frage beschäftigen, ob
und wie man die Energie aus Antimaterie nutzen kann, wobei wir auch auf die
Problematik des Missbrauchs eingehen.
2
2. Was ist Antimaterie?
Um erklären zu können, was Antimaterie ist, müssen wir uns erst einmal mit
Materie auseinander setzen. Denn Materie und Antimaterie unterscheiden sich
laut dem CPT-Theorem nur in drei wichtigen Eigenschaften, welche in 2.2
erläutert werden. Den offensichtlichsten Unterschied stellt dabei die umgekehrte
Ladung dar.
2.1 Materie1
Alles was sich um uns herum befindet besteht aus Materie, genauer gesagt aus
Elementarteilchen, welche sich in verschiedene Gruppen einteilen lassen. Da
wir uns nur auf die für uns wichtigen Teilchen beschränken, sind diese Gruppen
die Leptonen, zu denen die Elektronen gehören, und die aus Quarks
aufgebauten Hadronen. Letztere unterteilen sich zusätzlich in Mesonen, also
aus zwei Quarks aufgebauten Teilchen, und Baryonen, aus drei Quarks
aufgebaute Teilchen, zu denen auch die Protonen und Neutronen gehören.
2.1.1 Leptonen
Nach heutigem Stand sind Leptonen nicht weiter teilbar, liegen also elementar
vor. Das wichtigste Lepton ist als Atombaustein das Elektron.
Es hat die negative elektrische Ladung
e= - 1,6022 ·10 -19 C
und die Masse
me = 9,1096 · 10 -28 g (Ruhemasse: me = 0,511 MeV).
1
Zur Veranschaulichung siehe Abb. 1
3
2.1.2. Hadronen
Hadronen unterteilt man in Baryonen und Mesonen, wobei Baryonen aus drei
und Mesonen aus zwei Quarks zusammengesetzt sind. Im Folgenden werden
wir uns nur auf die für uns wichtigsten Baryonen beschränken, den Protonen
und Neutronen, welche als Nucleonen bezeichnet werden. Quarks sind nach
heutigem
Wissen
zusammen
mit
den
Elektronen
die
fundamentalen
Bestandteile der Materie. Man entdeckte die Quarks indem man Protonen und
Neutronen mit einem Elektronenstrahl beschoss. Dabei stellte man fest, dass
es auch bei den nach außen hin neutralen Neutronen zu einer Ablenkung der
Elektronen kam. Daraus folgerte man das Protonen und Neutronen aus noch
kleineren geladenen Teilchen bestehen müssen, den Quarks, die die
eigentliche Ladung tragen. U-Quarks tragen eine
−

2
und D-Quarks eine
3
1
Ladung. Daraus ergibt sich für die Ladung von Proton und Neutron:
3
2
1
q p =2 e− e=1e
3
3
2
1
q n= e−2 e=0
3
3
.
1
2.2 Antimaterie
Paul Dirac sagte bereits 1982 die Existenz von Antiteichen vorher, indem er
Einsteins spezielle Relativitätstheorie und die Quantenmechanik versuchte zu
verbinden. Dabei verwunderte ihn, dass diese nicht nur eine positive Lösung
ergab, sondern ebenso eine Lösung die eine negative Energie eines Protons
vorhersagte.
1
Siehe [16]
4
E= m 2 c 4 p2 c 2
E=− m c p c
2
4
2
1
2
(p ist der Betrag des linearen Impuls des Teilchens)
Dies warf die Frage auf, ob es Antiteilchen gibt, die mit der Masse eines
gewöhnlichen Teilchens übereinstimmen, was es zu beweisen galt. Wie bereits
in der Einleitung erwähnt, gelang dies Anderson und Neddermeyer im frühen
20. Jahrhundert. Heutzutage stellt die Produktion von Antiteilchen an
Forschungseinrichtungen wie dem CERN kein großes Problem mehr dar.
Mit dem Vorwissen, dass der Atomkern aus positiv geladenen Protonen und
neutralen Neutronen besteht und von einer Wolke aus negativ geladenen
Elektronen umgeben ist, kann man leicht erklären, was Antimaterie ist.
Laut Paulis CPT-Theorem müssen die drei Operatoren, die Ladungsumkehr
(C), die Inversion aller drei Raumkoordinaten (P) und die Umkehr der
Zeitkoordinate (T) angewendet werden, damit sich ein Antiteilchen ergibt. Alle
anderen Werte, wie zum Beispiel Masse und Halbwertszeit sind gleich.2
Nun muss man aber beachten, dass Teilchen mit ihren Antiteilchen annihilieren,
das heißt, dass die gesamte in Form von Masse gespeicherte Energie frei wird.
Die
dabei
frei
werdende
Energie
berechnet
man
nach
Einsteins
Relativitätstheorie mit doppelter Masse:
E=2mc²
Wenn nun ein Proton auf ein Antiproton trifft entsteht auf Grund der
Masse eines Protons:
E = 2 · 1,6 · 10-27 · 2.997.924.582² kg
m²
s²
E = 2,876 · 10-10 J = 1.797,51 MeV
1
2
Vgl. [5], S. 145
Vgl. [4], S. 168
5
Für eine Elektron-Positron Annihilation ergibt sich:
E = 1.022,13 MeV
Für die Erforschung von Antimaterie braucht man nicht unbedingt große
Anlagen mit Teilchenbeschleunigern, denn Antimaterie entsteht auch in der
Natur. Zum Beispiel beim β+--Zerfall der natürlichen Radioaktivität oder trifft als
Höhenstrahlung auf unsere Atmosphäre.
Außerdem ist noch zu erwähnen, dass beim Urknall nicht nur "normale"
Teilchen, sondern mit einem Verhältnis von
1.000.000.001 Teilchen
1.000.000.000 Antiteilchen
Antiteilchen entstanden, welche nach dem Urknall mit den Materieteilchen
annihilierten, was dazu führte, dass wir heute in einer Welt aus Materie leben
und nicht in einer aus Antimaterie. 1
1
Vgl. [13]
6
3. Kann man Antimaterie künstlich herstellen?
Ja,
allerdings
benötigt
man
zur
Herstellung
und
Untersuchung
von
Elementarteilchen, und wir sprechen bei Antimaterie von elementaren
Antiteilchen,
erreichen
sehr hohe Energie, die man nur mit sehr großem Aufwand
kann.
In
Forschungseinrichtungen
wie
z.B.
CERN,
werden
Antiprotonen bereits routinemäßig hergestellt. Die Produktion von Antiteilchen
findet in Teilchenbeschleunigern statt, die Folgende Rekombination zu
Antiatomen und die Lagerung in Teilchenfallen wie zum Beispiel der PenningFalle.
3.1 Teilchenbeschleuniger
Die meisten Fortschritte die zu neuen Erkenntnissen in der Teilchenphysik
führten
sind
auf
Teilchenbeschleuniger
zurückzuführen.
Prinzip
eines
Teilchenbeschleunigers ist es die Energie eines Teilchens zu vervielfältigen
indem man seine Geschwindigkeit erhöht. Dabei muss auf der gesamte
Beschleunigungsstrecke ein Vakuum bestehen, damit die Teilchen nicht durch
Luftmoleküle abgebremst werden. Man erhofft sich, Teilchen so stark
aufeinander schießen zu können, dass sie in ihre unteilbaren Bestandteile
zerfallen. Dabei kann auch laut Einsteins Relativitätstheorie Masse und Energie
ineinander umgewandelt werden. In einem Punkt des Raumes muss
mindestens die zur Erzeugung der Ruhemasse m eines Teilchens erforderliche
Energie nach
E=mc 2
verfügbar sein.
Mit Hilfe von Beschleunigern werden stabile geladene Teilchen, wie z.B.
Protonen
oder
Positronen
durch
elektrische
Felder
bis
annähernd
Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gegebenenfalls zur Kollision gebracht.
Dabei entsteht der nahezu komplette bekannte Teilchnzoo aus dem die
Antiprotonen mit Hilfe eines Massenfilters auf Grund ihrer Masse und Ladung
und der daraus folgenden speziellen Flugbahn heraus gefiltert werden können.
7
Beim LHC zum Beispiel entstehen pro Kollision von etwa 20 Teilchen etwa 200
geladene wie neutrale Teilchen.
Wenn Teilchen nun beschleunigt werden, haben sie laut der speziellen
Relativitätstheorie eine Energie von
E=γ m c = m c −p c ,mit γ=
2
2
4
2
1
2

2
1−
v
c2
1
Im Prinzip ist es möglich mit einem Elektrodenpaar, an das eine Hochspannung
angelegt wird ein Teilchen beliebig stark zu beschleunigen. Allerdings wird dies
in der Realität durch Funkenüberschläge und Belastbarkeit der Isolatoren auf
ein paar Millionen Volt eingeschränkt. Erst die Beschleunigung von Teilchen in
Stufen ermöglicht höhere Energien, wobei die geladenen Teilchen mit Hilfe von
Magnet auf ihrer Bahn gehalten werden.
3.1.1 Linearbeschleuniger2
Ein Linearbeschleuniger besteht aus mehreren zylinderförmigen Elektroden,
den so genannten Driftrohren. Die geladenen Teilchen treten aus der
Ionenquelle
aus
und
Beschleunigungsrohr,
werden,
in
einem
ausreichend
langem
mit Hilfe von hochfrequentierter Wechselspannung
beschleunigt. Dabei werden die Pole der Wechselspannung an je zwei
aufeinander
folgende
zylinderförmigen
Elektroden
angelegt.
Um
einen
maximalen Energiestoß der Teilchen zu erreichen, müssen Driftrohrlänge,
Abstände zwischen den Driftrohren und Frequenz so aufeinander abgestimmt
sein, dass die Teilchen immer im richtigen Augenblick den Zwischenraum
zweier Driftrohre erreichen. Aus diesem Grund muss für jeden Teilchentyp ein
anderer Linearbeschleuniger gebaut werden, da die Masse eines Teilchens
ebenso die Geschwindigkeit beeinflusst.
Um z.B. ein Elektron, das bereits die Ruheenergie von Ee-= 0.511 MeV hat, mit
einer
Energie
von
1
MeV
auszustatten,
benötigt
man
489
Beschleunigungsstrecken mit einer Spannungsdifferenz von je 1000 V. Dabei
1
2
Siehe [1], S. 19
Zur Veranschaulichung siehe Abb. 2
8
reicht für die geringe Masse des Elektrons eine Energie von 2 MeV aus, um sie
auf eine Geschwindigkeit von 0,98 c zu beschleunigen.
Auf Grund von Entladungsverlusten können die Teilchen nur eine Energie von
bis zu 10MeV aufnehmen, daher werden Linearbeschleuniger meist als
Vorbeschleuniger für Kreisbeschleuniger genutzt.
3.1.2 Ring-/Kreisbeschleuniger
Kreisbeschleuniger haben im Gegensatz zu Linearbeschleuniger einen
entscheidenden Vorteil. Ein Linearbeschleuniger braucht viel Platz um
möglichst viele Beschleunigungsstufen hintereinander zu betreiben, bei einem
Kreisbeschleuniger können die geladenen Teilchen die Ringe mehrmals
durchfliegen, wodurch Platz und Geld gespart werden kann. Dabei ist die
Beschleunigungstrecke entweder Spiral- oder Kreisförmig aufgebaut.
3.1.2.1 Synchrotron 1
Beim Synchrotron werden die Teilchen durch ein magnetisches Führungsfeld
auf einer Kreisbahn mit einem konstanten Radius, also r=r0 in einem Vakuum
gehalten. An mehreren Stellen werden sie durch gerade hoch frequentierte
Beschleunigungsstrecken beschleunigt. Die Frequenz (ω(t)), sowie die Stärke
des Führungsfeldes (B(t)) nehmen während der Beschleunigungsperiode mit
steigender Geschwindigkeit der Teilchen synchron zu. Dabei erhalten die
Teilchen einen Energiegewinn von
E=
qcB

2
pro Umlauf. Allerdings geben beschleunigte Teilchen Energie ab, die man im
Fall von Kreisbeschleunigern Synchrotron-Strahlung nennt, die mit kleiner
werdenden Radien wächst.
Am CERN zum Beispiel wird ein Synchrotron, genauer gesagt der SPS (Super
Proton Synchrotron), als Injektor für den LHC genutzt. Der SPS, der 1976
1
2
Zur Veranschaulichung siehe Abb. 3
Siehe [14]
9
vollendet wurde, hat einen Umfang von 6912 m (r=1,1 km) und kann Teilchen
mit einer Bewegungsenergie von 400 - 500 GeV ausstatten. Die geladenen
Teilchen werden durch ein ungefähr 1,4 T starkes Magnetfeld auf ihrer Bahn
gehalten.
3.1.2.2 Zyklotron 1
Zyklotronen bestehen aus je zwei Duaden (D-förmige Elektroden), an denen
eine konstante hochfrequentierte Wechselspannung anliegt. Im Zentrum des
Zyklotrons liegt die Teilchenquelle. Zwischen den beiden Duaden verläuft
entlang eines Durchmessers des Zyklotrons der Beschleunigungsspalt. Die
Polung der beiden Duaden ändert sich immer dann, wenn die Teilchenpakete
diesen Beschleunigungsspalt passieren. Dadurch das der Radius immer größer
wird, kann der Zyklotron mit einer konstanten Wechselspannung betrieben
werden. Das Magnetfeld B0, welches senkrecht zur Beschleunigungsebene
verläuft,
werden
die
geladenen
Teilchen
auf
Bahn
gehalten.
Nach
ausreichender Beschleunigung nähert sich der Teilchenstrahl dem Rand des
Gefäßes, wo sie im richtigem Moment mit Hilfselektroden extrahiert werden.
3.1.3 Speicherringe und Collider
Ursprünglich wurden die beschleunigten Teilchen lediglich auf Targets, also
ruhende Teilchen geschossen. Wenn man aber Teilchen mit annähernd
gleichem Impulsen aufeinander treffen lässt, kann die Energie wesentlich
erhöht werden. Allerdings ist die Trefferwahrscheinlichkeit sehr gering, auf
Grund dessen werden große Teilchenströme angestrebt, und die Teilchen die
aneinander vorbei fliegen erneut versucht zur Kollision zu bringen. Die
beschleunigten Teilchen werden daher in Speicherringen, vom Aufbau dem
Synchrotron ähnelnd, auf der gewünschten Energie gehalten, indem sie
lediglich auf Kreisbahn gehalten werden. Der auftretende Energieverlust muss
jedoch vermieden werden, da der Teilchenstrahl zum Teil einige Stunden im
Speicherring kreist, bis die gewünschte Anzahl der Reaktionen beobachtet
1
Zur Veranschaulichung siehe Abb. 4
10
wurde. Dabei ist ein Hochvakuum von bis zu 10-7 Pa erforderlich um Stöße mit
Restgasmolekülen auszuschließen.
Collider ist dann lediglich die Bezeichnung für Anlagen die aus Beschleunigern
und Speicherringen bestehen. Je nachdem, welche Teilchen beschleunigt
werden, benötigt man entweder einen Speicherring, in dem die Teilchen
entgegengesetzt verlaufen lässt, oder zwei, die sich in einigen Punkten
überschneiden an denen die Teilchen kollidieren.
3.1.4 LHC und CERN1
CERN ist ein Beispiel für internationale Zusammenarbeit, der Organisation
gehören 20 Mitgliedsländer an und liegt in der Nähe von Genf. Es wurde 1954
mit dem Ziel der Grundlagenforschung im Bereich der Nuklearphysik gegründet.
2008 belief sich das Jahresbudget auf rund 650 Millionen Euro, wobei
Deutschland etwa 20 % der kosten übernimmt.
Zu den wichtigsten Beschleunigern gehört der Large Hadron Collider (LHC,
deutsch:
Großer
Hadronen
leistungsfähigste und größte
Beschleuniger).
Der
LHC
ist
der
zurzeit
Teilchenbeschleuniger der Welt. Der Ring ist
26,7km lang und liegt in einer Tiefe von 50 – 157 m unterhalb des
Grenzgebietes Frankreichs und der Schweiz in der Nähe von Genf. Hier werden
Protonen und schwere Ionen mit einer Kollisionsenergie von bis zu 14 TeV
aufeinander geschossen. Im Abstand von 15 ns kreuzen sich 2 Protonen
Pakete, wobei ein Paket etwa aus 10 11 Teilchen besteht, allerdings kollidieren
nur etwa 20 Teilchen.
Die geladenen Teilchen werden auf zwei getrennten Kreisen entgegengesetzt
im Tunnel beschleunigt und an vier Stellen, den Detektoren ATLAS, CMS,
LHCb und ALICE zur Kollision gebracht. An diesen Stellen entstehen durch den
Aufprall
neue
Elementarteilchen.
Hauptziel
ist
es,
das
Higgs-Boson
nachzuweisen, welches bereits seit 1964 vorhergesagt wurde.
Durch 1232 supraleitende Dipolmagneten, die extra für den LHC entwickelt
wurden, werden die Teilchen mit 8,4 T auf ihrer Bahn gehalten. 700000 l
flüssiges Helium und 14000000 l flüssiger Stickstoff werden benötigt, um um
Temperaturen von 1,9 K zu erzeugen. Damit die Teilchen nicht unkontrolliert mit
1
Zur Veranschaulichung siehe Abb. 5
11
Luftmolekülen kollidieren, wird auf der gesamten Strecke (Volumen: ca. 9.000
m³) ein Vakuum erzeugt.
Im Abstand von 25ns werden 2808 Protonenpakete mit je 1011 Protonen
aufeinander treffen, wobei die Strahlen auf eine Fläche von 10 m fokussiert
sein. Es wird ein Zustand wie 10-13 s nach dem Urknall erzeugt.
3.2 Teilchendetektoren
Neue
Fragestellungen
und
die
Entwicklung
leistungsfähiger
Teilchenbeschleuniger verlangen nach neuen und besseren Nachweis– und
Messtechniken. Manche Teilchen lassen sich nur Anhand ihrer Zerfalls
Produkte, die es sichtbar zu machen gilt.
Der ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) am CERN ist, mit einem Gewicht von
7.000t, der größte Teilchendetektor der je an einen Beschleuniger gebaut
wurde. Pro Sekunde entstehen etwa 200 Elementarteilchen, die es zu
verarbeiten gilt, in der Größenordnung von etwa 100 Tb. Durch das eintreffen
von 1015 Teilchen pro Quadratmeter in der gesamten Betriebszeit des LHC
kommt es außerdem zu einer Materialschädigung.
3.2.1 Nebelkammer
Eine Nebelkammer, 1912 von Charles T.R. Wilson erfunden, ist ein meist
zylindrisches Gefäß, das mit übersättigtem Gas-Dampf-Gemisch gefüllt ist. Das
eine Ende des Zylinders ist mit einem Kolben versehen, damit das Volumen des
Zylinders zunehmen kann, wodurch sich das Gas im inneren schnell abkühlt.
Wenn nun elektrisch geladene Teilchen durch den Dampf fliegen, kondensiert
dieser entlang der Flugbahn des Teilchens, da sie auf ihrem weg durch die
Kammer Gasmoleküle ionisieren. Allerdings wird diese Bahn schnell diffus.
Durch Beleuchtung kann man die Flugbahn der Teilchen nachweisen, denn
das Licht streut sich an der Nebelspur wodurch diese hell aufleuchtet und
photographiert werden kann. Allerdings kann man diese Spur nicht direkt mit
der Teilchenbahn an sich verglichen werden, da der Durchmesser der Bahn
etwa 10-3 m beträgt, der Durchmesser eines Protons allerdings nur etwa 10-15 m
beträgt.
12
Mit Hilfe der Nebelkammer gelang 1930 der experimentelle Nachweis von
Positronen. Bruno Rossi untersuchte die kosmische sekundär Strahlung, wobei
er feststellte das positive wie negative Teilchen in sein Zählrohr gelangten. Das
einsetzen einer Bleiplatte durch Anderson und Neddermeyer wurde deutlich,
dass das elektrische positive Teilchen kein Proton sein konnte, da ein Proton
durch die Platte stärker abgebremst worden wäre. Die Daten sprachen dafür
das es ein Elektron mit positiver Ladung sein müsste, ein Anti-Elektron.
3.3 Kühlung und Lagerung
Um die Kühlung von Teilchen zu erläutern, muss zuerst erklärt werden, wo der
Unterschied zwischen kalten und heißen Teilchen liegt. Heiße Teilchen
bewegen sich sehr schnell und sind deshalb für Experimente die zum Vergleich
zwischen Materie und Antimaterie dienen nicht brauchbar. Kalte Teilchen
bewegen sich demnach langsam beziehungsweise fast gar nicht, weshalb sie
für Vergleichsexperimente besser geeignet sind und außerdem besser in
kleineren Behältnissen gelagert und deshalb auch transportiert werden können.
Die Lagerung von Antiteilchen stellt eine relativ große Herausforderung dar, da
sie wie bereits beschrieben bei Kontakt mit Materieteilchen zerstrahlen, dies
muss als vermieden werden. Daraus folgt, dass die Lagerung der Antiteilchen
nur in einem nahezu perfekten Vakuum und in einem Behälter, dessen Wände
aus magnetischen und elektrischen Feldern besteht, möglich ist.
Wir werden die Kühlung und Speicherung von Antimaterie am Beispiel der
Vorgehensweise welche am CERN Anwendung findet erläutern, außerdem wird
im Folgenden davon ausgegangen, dass die Teilchen vom AD (Antiproton
Decelerator) vorgekühlt wurden. Dieser arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie
ein Kreisbeschleuniger, allerdings ist Wechselspannung hier so eingestellt,
dass die Antiprotonen immer von dem negativen Führungsfeld ausgebremst
werden.
13
3.3.1 Die Penning-Falle
Die Penning-Falle ist im Prinzip ein in einem Magnetfeld befindlicher Stapel
goldbeschichteter Kupferringe[8], in dem sich die geladenen Teilchen senkrecht
zu den Magnetfeldlinien bewegen. Das 6 T starke Magnetfeld wird durch die
Spule, in der 37 A Strom fließen, erzeugt.
Das entweichen der geladenen Teilchen wird durch Hochspannungselektroden
verhindert, welche sich am oberen und unteren Ende der Falle befinden.
In der Falle befindet sich eine Elektronenwolke, in der jedes Elektron eine
Energie von 4 K
1
hat, welche durch die negativen Felder in den
Fallenmittelpunkt gezwungen wird.
3.3.1.1 Kühlung und Speicherung von Antiprotonen mit Hilfe von
Elektronen
Die Antiprotonen aus dem AD treten mit ihrer Energie von 6 MeV durch die
Bodenelektrode in die Falle ein, wobei sie durch den Zusammenstoß mit den
Atomen bereits gebremst werden, allerdings kommen auch manche von ihnen
zum Stillstand und zerstrahlen. Ein weiterer Teil, der mit einer Energie von etwa
3 keV, gelangt zur oberen Elektrode und zerstrahlt dort. Nach diesem Schritt
bleiben von den etwa 107 ausgeschossenen Antiprotonen nur etwa 104 übrig.
Der Rest der Antiprotonen kann eingefangen werden, sie fliegen zur oberen
Elektrode, werden dort abgestoßen und fliegen zurück. Da das Eintrittsfenster
der Falle geschlossen wurde, indem man die Bodenelektrode innerhalb von
einer 20milliardstel Sekunde auf eine negative Spannung von 3 kV gelegt hat,
oszillieren die Antiprotonen nun zwischen den Elektroden auf und ab und
durchdringen dabei immer wieder die Elektronenwolke. Durch die Stöße der
Elektronen werden die Antiprotonen weiter gekühlt, bis nach etwa zwei Minuten
ein thermisches Gleichgewicht besteht. Die Elektronen werden anschließend
mit Hilfe von Radiowellen aus der Falle entfernt.
1
Niedrige Energie gibt man üblicherweise in Temperatureinheiten an: 0,25 eV ≙ 400 K
siehe [8]
14
3.3.1.2 Kühlung von Antiprotonen mit Hilfe von Positronen
Die Funktionsweise hier unterscheidet sich von der gerade beschriebenen in
einem wichtigen Punkt. Die Kühlung der Antiprotonen erfolgt nicht durch
Elektronen,
sondern
durch
Positronen,
also
durch
Antiteilchen
entgegengesetzter Ladung. Das erste Problem ist hier die Kühlung der
Positronen, welches durch eine simple Eigenschaft des Feldes gelöst wird. Die
heißen Positronen folgen der Kreisbahn des Magnetfeldes und kreisen mit einer
Frequenz von 100GHz, was sie beschleunigt und dazu bringt, einen Großteil
ihrer Energie als elektromagnetische Strahlung abzugeben. So kühlen sie sich
in weniger als einer Sekunde auf das Temperaturniveau der Falle ab und sind
zur Kühlung von Antiprotonen bereit.
Die Antiprotonen treten nun wie oben bereits beschrieben in die Falle ein,
oszillieren zwischen den Elektroden und werden durch die Stöße der
Positronen gekühlt.
Das zweite Problem welches durch die entgegengesetzte Ladung der
Teilchenarten in einem Magnetfeld entsteht, wurde von Gerald Gabrielse mit
Hilfe eines M-förmigen geschachtelten elektrischen Potentials in der PenningFalle gelöst. Dieses Potential hält die Positronen im zentralen Wall, wobei die
Antiprotonen von den seitlichen Wänden des Potentials eingeschlossen
werden.1
2
Diese Grafik zeigt das elektrische Potential und wie die Positronen und Antiprotonen in ihm
gespeichert werden.
1
2
Vgl. [4] S.172
Siehe [4]
15
3.3.1.3 Lagerung und Herstellung von Antiwasserstoff
In der Falle befinden sich nach 3.2.1.2 nun gekühlte Antiprotonen und
Positronen, welche sich zu Antiwasserstoff rekombinieren. Da Antiwasserstoff
ein elektrisch neutrales Atom ist hat das Magnetfeld keinen direkten Einfluss auf
dieses. Das Anti-Atom bewegt sich also unkontrolliert durch den Raum und trifft
auf eine Außenwand der Falle, wo es mit einem Atom der Wand annihiliert. Die
dabei entstehenden Zerstrahlungsprodukte können nachgewiesen werden und
es ist bewiesen, dass in der Falle Antimaterie hergestellt wurde.
Da man die Antimaterie nicht nur in der Falle herstellen, sondern auch lagern
möchte, muss man sich einen weiteren Effekt der Falle zu Nutze machen.
Im folgenden Absatz werde ich den Begriff "magnetisches Moment"
gebrauchen, den wir zum Verständnis hier vorher kurz erklären möchten.
Jedes Atom hat eine magnetische Ausrichtung, welche man das magnetische
Moment nennt. In einem Magnetfeld versuchen Atome sich deshalb nach der

Richtung der magnetischen Feldlinien B auszurichten.
Die Gradienten des Magnetfeldes haben Auswirkungen auf das magnetische
Moment des Antiwasserstoffatoms, also muss man ein zusätzliches Feld
erzeugen, welches möglichst nicht die Homogenität des Feldes der Falle
gefährdet, da sonst die Stabilität der Positronenwolke nicht gewährleistet ist,
allerdings die größtmögliche Auswirkung auf die Anti-Atome hat. Zusätzlich
muss der Gradient im Fallenmittelpunkt liegen, damit möglichst viele Antiatome
dorthin gelangen.
Experimente haben ergeben, dass ein Multipolfeld mit einem Verlauf von
B(r) =ksr(s-1)
(s ist die Ordnung des Multipols,
ks ist eine Konstante, die so gewählt ist, dass das Magnetfeld an den Elektroden
im Betrag gleich ist.)
16
und höherer Ordnung diese Bedingungen am ehesten erfüllt. Ein Dekapolfeld
zum Beispiel kann die Positronenwolke bis zu 12 Minuten lang stabilisieren.
Die Auswirkungen auf das magnetische Moment des Anti-Atoms ist allerdings
nicht sehr groß, was dazu führt, dass nur Anzahlen im Promillebereich der
hergestellten Antiwasserstoffatome in der Penning-Falle gespeichert werden
können.
Dies ist der derzeitige Stand der Forschung, das Problem der effektiven
Lagerung von Antiteilchen ist also noch nicht gelöst.
17
4. Energie aus Antimaterie
Wenn man sich nur vor Augen führt, dass bei der Annihilation von einem
Teilchen mit seinem Antiteilchen die gesamte Masse als Energie frei wird, die
Effizienz also bei 100% liegt (zum Vergleich: die Effizienz der Kernspaltung liegt
bei etwa 1,5% ), so kommt die Frage nach Antimaterie als Energiequelle auf, da
eine effizientere Art der Energiegewinnung derzeit nicht bekannt ist. Auf den
ersten Blick wirkt die Antimaterie-Materie-Annihilation wie die Antwort auf das
derzeitige Energieproblem, vor allem in Zeiten von Ressourcenknappheit,
allerdings machen ein paar Tatsachen einen Strich durch die Rechnung. Allein
der jährliche Stromverbrauch des LHC liegt bei 1.200 Millionen kWh ( entspricht
dem Stromverbrauch von 400.000 Zweipersonenhaushalten)[9], außerdem
gehen unter Anderem bei der Kühlung der Antiprotonen1 etwa 99,9% der
produzierten Antiprotonen verloren und das verwendete Verfahren der
Lagerung von Antiatomen2 wirkt nur auf Anzahlen im Promillebereich der
produzierten Antiatome. Die Produktion von Antimaterie ist also sehr ineffizient
und
teuer,
was
Wissensstand,
die
Antimaterie-Materie-Annihilation,
nach
heutigem
als Energiequelle nicht rentabel macht. Auch weitere
Forschungen in diese Richtung erübrigen sich, da man zur Herstellung von
Antiteilchen immer Maschinen brauchen wird die Energie verbrauchen und
diese wird größer sein als die bei der Annihilation freiwerdende. 3
Die einzige Möglichkeit die Annihilationsenergie zu nutzen würde bestehen,
wenn man irgendwo, zum Beispiel im All, Antimaterievorkommen finden würde,
denn dann wäre die lange und teure Produktion auf der Erde hinfällig, allerdings
wurde bereits festgestellt, dass in einem Umkreis von mehreren Milliarden
Lichtjahren um die Erde herum keine Antimaterieplaneten oder Ähnliches zu
finden sind.4
4.1 Missbrauch5
Wie bei jeder Art der Energiegewinnung wurde und wird auch über eine Bombe
diskutiert, die ihre Energie aus der Antimaterie-Materie-Annihilation bezieht.
1
Siehe 3.2 Kühlung und Lagerung
Siehe 3.2.1.3 Lagerung und Herstellung von Antiwasserstoff
3
Vgl. [10]
4
Vgl. [10]
5
Vgl. [10]
2
18
Eine solche Antimateriebombe hätte auf Grund der Energieeffizienz von 100%
schon bei verhältnismäßig geringer Menge Sprengstoff (hier: Sprengstoff =
Antimaterie) eine sehr große Sprengkraft. So würden bei der Annihilation von
1g Antimaterie mit 1g Materie
E= 0,002 · (300.000.000)² kg
m²
= 1,8 · 1014 J = 180 · 1012 J
s²
freigesetzt werden.
Zum Vergleich: Die Atombombe die Hiroshima zerstörte hatte eine Sprengkraft
von 20 kt TNT, bei der Explosion sind 4,2 · 1014 J freigesetzt worden.
Die gerade beschriebene Antimateriebombe hätte also eine Sprengkraft von:
180
=42,8kt TNT
4,2
Man würde also etwa 0,5g Antimaterie herstellen müssen, um die Sprengkraft
der Hiroshima-Bombe zu erreichen, die zusätzlich benötigten 0,5g Materie
lassen sich bekanntlich leicht finden.
Das Problem, welches die Antimateriebombe zur Illusion macht, ist, dass zum
Beispiel das CERN nur etwa 107 Antiprotonen pro Sekunde produziert. Da sich
in einem Gramm Antiwasserstoff 6 · 10 23 Antiprotonen befinden, müsste das
CERN
6·1023
16
=6 · 10 s
7
10
also
6·1016
=2 · 109=2 Milliarden Jahre für 1g, also 1 Milliarde Jahre
7
3 ·10
arbeiten, nur um genügend Antiprotonen zu produzieren. Den Verlust von etwa
99,9% der Antiprotonen bei der Kühlung und Lagerung kann man bei dieser
Überlegung vernachlässigen, da die lange Produktionszeit allein das Vorhaben
in näherer Zukunft eine adäquate Antimateriebombe zu bauen sehr
unrealistisch macht.
19
5. Fazit
Nachdem wir nun wissen, dass Antimaterie nur für Vergleichsforschungen
hergestellt wird und keines der momentan vorhandenen großen Probleme der
Menschheit lösen kann (wenn man von der geringen Chance absieht, dass
Antiteilchen zur Behandlung von Tumoren verwendet werden könnten), so
drängt es sich geradezu auf, die Frage nach dem Sinn zu stellen. Der extrem
hohe Aufwand, der betrieben wird um Antimaterie herzustellen ist nahezu
unglaublich. Es werden viele riesige Teichenbeschleunigerkomplexe und
dazugehörige Labore an verschiedenen Standorten gebaut, welche an
ähnlichen Projekten forschen, obwohl es sowohl Energie als auch Geld sparte,
würde man diese Forschungszentren zusammenlegen.
Um die hohen Kosten zu verdeutlichen, schauen wir uns einfach mal den LHC
und das CERN an. Der LHC kostete 2,2 Milliarden Euro[1 und hat einen
jährlichen Stromverbrauch von 1.200 Millionen kWh. Das CERN hat einen
Jahresetat von 650 Millionen Euro2, den Deutschland zu etwa 20% finanziert
(Deutschland liegt damit auf Platz 1 der CERN-Geldgeber) . Sowohl das Geld
als auch die Energie könnte, vor allem in dieser Zeit in der fast jeder vom
Sparen spricht, sinnvoller genutzt werden.
Da die Antimaterieforschung nur noch zu Vergleichszwecken und Erforschung
der
wirklich
kleinsten
Teilchen
dient
und
sich
dieses
Unterfangen
wahrscheinlich als immer schwieriger erweisen wird, ist zu erwarten, dass die
Kosten noch weiter steigen.
Wenn nun noch der Umstand, dass sich der Großteil der Menschheit für diese
Thematik wohl nicht interessiert, dazu kommt, wird eventuell der Ruf nach der
Einstellung der Forschung auf diesem Gebiet laut, aber da nunmal auch
Minderheiten beachtet werden müssen, kann man dies hier unmöglich fordern.
Was
man
allerdings
fordern
kann
ist
die
Zusammenlegung
von
Kernforschungszentren um somit Kosten und Energie zu sparen.
Um auch ein paar Worte über die Wahl des Themas für eine Facharbeit zu
verlieren:
Wir persönlich finden das Thema an sich sehr interessant, vor allem wenn man
die Realität mit den Vorstellungen der meisten Laien zum Beispiel zum Thema
1
2
Siehe [11]
Siehe [12]
20
Antimateriebombe verlgeichen kann. Allerdings ist unserer Meinung nach die
Forschung wohl sehr bald, also sobald die Lagerung von Antiatomen effizient
möglich ist, an einem Punkt angekommen, an dem das erlangte Wissen
ausreicht. Wahrscheinlich wird es dann auch um einiges einfacher sein eine
Facharbeit über Antimaterie, ihre Bedeutung und Grundlagen in der
Teilchenphysik
zu
schreiben,
da
man
sich
mit
gelösten
Problemen
auseinandersetzen kann.
21
6. Quellenverzeichnis
[1] Helmut Hilscher: Elementarteilchen, Köln 1980
[2] Dieter B. Herrmann: Antimaterie, Auf der Suche nach der Gegenwelt,
München 1999
[3] L.J. Tassie: Physik der Elementarteilchen, Oldenbourg 1977
[4] Physik in unserer Zeit 4/2007, Alban Kellerbauer: Antimaterie - Spiegelbild
oder Zerrbild
[5] Hänsel / Neumann: Physik, Atome - Atomkerne - Elementarteilchen, Berlin
1995
[6] Spektrum der Wissenschaft 3/1980, Robert R. Wilson, Die nächste
Generation der Teilchenbeschleuniger
[7] Physik in unserer Zeit 2/2008, Thomas Müller: Der Large Hadron Collider die Entdeckungsmaschine
[8] Spektrum der Wissenschaft 2/1993, Gerald Gabrielse: Kühlung und
Speicherung von Antiprotonen
[9] http://www.physikblog.eu/2008/09/02/cerned-lhc-von-der-flasche-zumkarussell/ - Stand: 15.03.2009
[10] http://public.web.cern.ch/public/en/Spotlight/SpotlightAandD-en.html Stand: 17.03.2009
[11] Physik Journal2/2003, Stefan Jorda : CERN auf LHC-Kurs
[12] Physik Journal 7/2008, Stefan Jorda: Licht ins dunkle Universum bringen
[13] http://public.web.cern.ch/public/en/Research/CPViolation-en.html - Stand:
17.03.2009
[14] www.e18.physik.tu-muenchen.de/skript/Synchrotron.html - Stand
16.03.2009
[15] www.images.google.de
[16] http://www.drillingsraum.de/room-quarks/quarks.html - Stand: 17.03.2009
22
7. Anhang
Abb. 1: Unterteilung der Elementarteilchen
Abb. 2: Prinzipieller Aufbau eines Linearbeschleunigers
[15] →http://leifi.physik.unimuenchen.de/web_ph12/grundwissen/11ver_kernph/image055.jpg
23
Abb. 3: Prinzipieller Aufbau eines Synchrotrons
Quelle: [15] → http://fi.edu/guide/jones/synchrotron.gif
Abb. 4 Prinzipieller Aufbau eines Zyklotrons
Quelle: [15] →
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7e/Zyklotron_Schema.gif
- Stand 17.03.2009
24
Abb. 5: Allgemeiner Aufbau der Teilchenbeschleuniger am CERN
Quelle: [15]→
http://bigscience.web.cern.ch/bigscience/Objects/LHC/accelerator.jpg
25
Erklärungen
1 Hiermit erklären wir, dass wir die vorliegende Facharbeit selbstständig
angefertigt, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt
und die Stellen der Facharbeit, diem im Wortlauf oder im
wesentlichen Inhalt aus anderen Werken entnommen wurden, mit
genauer Quellenangabe kenntlich gemacht haben.
2 Wir haben zur Kenntnis genommen, dass unsere Facharbeit von den
Lehrern und Lehrerinnen des Gymnasiums Wesermünde eingesehen
werden dürfen. Die Weitergabe und Einsichtnahme Dritter ist nach
Archivierung der Arbeit nur mit unserem Einverständnis statthaft.
3 Wir haben zur Kenntnis genommen, dass die Vervielfältigung ( auch in
Ausschnitten) der korrigierten Facharbeit verboten ist.
Budau, Nicola
Runge, Birte
26