Post on 05-Apr-2015
Antimaterie
Vortrag von Benjamin SpilkerUniversität Bielefeld
Inhaltsübersicht
• Was ist Antimaterie?• Ihre Geschichte– Vorhersage ihrer Existenz durch Dirac– Nachweis durch Anderson
• Anwendungen– Herstellung– Antrieb / Waffe
• Aktuelle Forschung• Zusammenfassung
Was ist Antimaterie?
Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit identischer Masse und Spin, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen bei der Ladung bzw. bestimmten Quantenzahlen⁰
Ein Antiproton ist zusammen mit einem gebundenen Positron ein Antiatom
Mehrere Antiatome zusammen können als Antimaterie bezeichnet werden
___________________[0] David Halliday. Physik. Wiley-VCH Verlag 2003
Geschichte der Antimaterie
Schrödinger-Gleichung (SG) 1926 war zunächst Höhepunkt der neuen QM¹, aber die spezielle Relativitätstheorie war nicht enthalten
Dirac stellte 1928 Wellengleichung (DG) für Fermionen (insb. Elektronen) auf
Großer Erfolg: Elektronenspin S=½ħ folgte automatisch aus ihr
___________________[1] http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v5.pdf
Paul A.M. Dirac 1902 - 1984
Nachteil der DG: Struktur der Gleichung, 4x4 Matrizen mit Viererspinor { Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4} als Lösung
( 1/c ∂/∂t + ∂/∂x + ∂/∂y + ∂/∂z - i/ħ m) Ψ = 0 (1.1)Mit den Gamma-Matrizen sind die Pauli-Matrizen:
z.B.: 0 0 0 i0 0 -i 00 -i 0 0i 0 0 0
Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3}
erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)
Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3}
erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)
handlicher: Mit Coulombpotential für ein gebundenes Elektron kann die komplizierte DG in 2 gekoppelte Gleichungen aufgespalten werden: c σp ψS + mc2 ψL + VC ψL = E ψL (1.3)
c σp ΨL - mc2 ΨS - VC ΨS = E ΨS
mit p: dreier Impuls; ψL / ΨS : 2 Komponentige Spinoren, die den Spin parallel/antiparallel zum Impuls p angeben
Für Lösungen mit positiver Energie E und schwachem Potential ist ΨS um kleiner als ψL und kann vernachlässigt werdenFür ein freies Elektron ( =0) ergeben sich die
Eigenwerte E: E = + c {p²+ m²c²}1/2 bzw.
E = - c {p²+ m²c²}1/2 (1.4)Für ≠0 ergeben sich gebundene Zustände mit
–mc² < E < +mc²
Negative Eigenwerte? Loch zwischen den Energielösungen?
Dirac hat sie nicht wie üblich einfach als „unphysikalisch“ verworfen
Für eine sinnvolle Erklärung postulierte er:- 1. alle negativen Energiezustände sind mit der
nach dem Pauli-Prinzip möglichen Anzahl an Elektronen besetzt
- 2. man kann 1. nur beobachten, wenn man eines dieser Elektronen in das positive Energiekontinuum befördert; Das entstehende „Loch“ im negativen Energiekontinuum hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron, bis auf die entgegengesetzte Elementarladung; damit ist das Positron das Antiteilchen zum Elektron
- 3. Wenn ein Elektron auf ein Positron trifft, zerstrahlen sie in zwei entgegengesetzte Gammaquanten, deren Energie der Ruheenergie für ein solches Paar entspricht (jeweils 511keV)
- 4. Punkt 3. gilt für alle Fermionen, auch Proton/Antiproton (Energie hier jeweils 938MeV)
___________________http://svs.gsfc.nasa.gov/search/Keyword/index.html
Der Nachweis durch Anderson
Viele wollten Diracs Behauptung beweisen, Carl David Anderson war der schnellste
Anderson verwendete die 1910 von Wilson erfundene Nebelkammer
Carl David Anderson 1905 – 1991 Nebelkammer von Wilson Schematisch
Für einen Kreisbogen mit Radius ρ ergibt sich aus der Bedingung
(1.5)
Stärke und Richtung von B bekannt -> mit ρ kann man nur den Impuls (m v) des ∙unbekannten Teilchens bestimmen
Daraus ergeben sich drei Probleme:
- 1. Was kann man als Positronenquelle nutzen?- 2. Bestimmung des Vorzeichens der Ladung;
Aus welcher Richtung fällt das Teilchen ein?- 3. Wie kann man Positron mit von einem
Proton unterscheiden?
Ad 1: -Zerfall 2 Jahre zuvor entdeckt, -Zerfall ( p -> n + + ) leider noch
nicht (man hätte perfekt -Quelle nutzen können)
Anderson sucht Positron in kosmischer Strahlung
Ad 2: Anderson teilt die Nebelkammer durch eine 6mm dicke BleiplatteBahnkrümmung vor Durchgang durch die Platte
geringer als hinterherEinfallrichtung des Teilchens festgelegt
Ad 3: Protonen und Positronen haben unterschiedliche Reichweite in der NebelkammerAbschätzung der Masse des unbekannten
Teilchens nach oben hin möglich
Das neu entdeckte Teilchen musste das von Dirac postulierte Positron sein:
1932 erstmalig in der Geschichte der Physik Antimaterie entdeckt
Heute hat man für alle stabilen und instabilen Elementarteilchen ihre Antiteilchen gefunden und genau vermessen
Erzeugung eines Elektronen-Positronen Paares in einer Blasenkammer
Anwendungen der Antimaterie-Technologie
Antimaterie spielt große RolleBsp.: Positron-Emissions-Tomographie (PET)
aktive C-, O- oder Fluor Nuklide werden in das Gehirn injiziert
Nachweis der 511keV Vernichtungsstrahlung liefert sehr präzise Daten
PET-“Kamera“ aus segmentierten - Detektoren
Mit PET gemessene Hirn-Aktivitäten
Lokale β+ -Aktivität um das rote Fadenkreuz beim Beschuss eines Gehirntumors mit hochenergetischen 12C6+-Ionen (GSI Darmstadt)
Herstellung von Antimaterie - CERN
CERN ist die Europäische Organisation für Kernforschung²Betreibt physikalische Grundlagenforschung Sehr bekannt für riesigen Teilchenbeschleuniger20 Mitgliedsstaaten, 3400 MitarbeiterJahresbudget 2008: 694 Mio. €Weltweit führende Institution in der Herstellung
von Antimaterie
___________________[2] http://www.cern.de/
Teilchenbeschleuniger des CERN
1995 gelang erstmalig die Herstellung von Antiwasserstoff
Herstellungsprozess:Teilchen werden extrem beschleunigt und auf
Metall gefeuertEs entstehen Protonen und AntiprotonenIn langem System werden extrem schnelle
Antiprotonen gebremst und mit starken Magnetfeldern eingefangen
Zusätzlich werden Positronen für Antiwasserstoff benötigt
Wirkungsgrad:
Herstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff würde ~Trillionen US $ kosten
Maximale Produktion: Weniger als 100 Antiwasserstoffatome pro SekundeHerstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff nicht
nur enorm teuer sondern auch langwierig
Antimaterie-Antrieb
Idee in Sci-Fi Welt weit verbreitetBekanntestes Schiff mit Antimaterie-Antrieb:
Raumschiff EnterpriseExtrem effektiv und hochenergetisch:
Aus 1 Mikrogramm Antimaterie lassen sich 180 Mega Joules gewinnen
1 Gramm Antimaterie kommt 23 Tankfüllungen eines Space Shuttle gleich³
___________________[3] http://www.heise.de/tp/r4/artikel/18/18486/1.html
Schema eines Antimaterie-Triebwerks
Ein Antimaterie-Antrieb wäre nicht nur aufgrund der geringen Treibstoffmenge hochinteressant, er ist auch extrem schnell17 Gramm Antimaterie genügen um Robotersonde
in 40 Jahren nach Alpha Centauri zu schicken (4,34 Lichtjahre entfernt)
Antimaterie als Waffe / Bombe
Eine Bombe mit Antimaterietechnologie hätte besondere Vorteile⁴Man benötigt nur winzige Mengen für eine
verheerende ZerstörungswirkungAnnihilationsenergie wird sehr leicht frei -> kein
Zündmechanismus erforderlich„Saubere“ Bombe: Radioaktive Verseuchung sehr
viel geringer bzw. nicht vorhanden
___________________[4] http://www.zeit-fragen.ch/ausgaben/2008/nr38-vom-1592008/cern-forschung-fuer-antimaterie-bomben/
Antimaterie Detektoren außerhalb der Erde?
Aufwändig, aber eventuelle Antiteilchen würden sonst direkt in der Atmosphäre annihilieren
Hochinteressant: Fund eines Antikohlenstoffkernes⁵Kohlenstoff entsteht im Inneren von SternenWird bei Explosion ins All geschleudertAntikohlenstoff käme aus einem Stern, der
ausschließlich aus Antimaterie besteht___________________[5] http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/452198/
Neutronenexperiment des PTB 2008
Physikalisch Technische Bundesanstalt⁶Untersuchung der Stärke des elektrischen
Dipolmoments von NeutronenNeutron enthält positiv und negativ geladene QuarksLiefert eventuelle Erkenntnisse über die Unterschiede
von Materie und AntimateriePTB hat in Berlin den magnetisch ruhigsten Ort der
Erde erschaffenErmöglicht hochpräzise Messungen im
Neutronenexperiment___________________[6] http://idw-online.de/pages/de/news271952
Bild der Begehbaren Kabine aus Mumetall⁷ (enthält 78% Nickel, 16% Eisen, 4% Kobalt)
Sammelt das Magnetfeld und lotst es um die Kabine herum
___________________[7] http://www.ptb.de/de/publikationen/blickpunkt/biomagnetismus/magnetischeruhe.html
Größte Frage zu Antimaterie
Beim Urknall müssen riesige Mengen Antimaterie entstanden sein (physikalische Symmetrie)
Anstelle von Galaxien, Sternen und Menschen (Materie) müsste das Universum nur von Licht erfüllt sein
Wohin ist die Antimaterie?Warum hat Materie sich durchgesetzt?
Zusammenfassung
Antimaterie Spiegelbild zur normalen Materie1928 von Dirac vorhergesagt1932 von Anderson nachgewiesenAnwendungen als Antrieb/Waffe höchst
interessant, Wirkungsgrad macht das aber noch utopisch
Forschungszweig mit extrem hohem PotentialFrage nach dem Verbleib der Antimaterie eine
der wichtigsten des 21. Jahrhunderts