Überblick

Antimaterie im Labor

Am Antiproton Decelerator am CERN stehen erste Hochpräzisionsmessungen mit atomarer Antimaterie bevor.

  • Alban Kellerbauer
  • 07 / 2014 Seite: 27

Warum ist das Universum erfüllt von gewöhnlicher Materie, obwohl beim Urknall gleiche Mengen an ­Materie und Antimaterie entstanden sind? Dies ist ­eine der großen offenen Fragen der Physik. Ihre Antwort hängt eng mit der Frage zusammen, ob ein Elementarteilchen und sein Antiteilchen abgesehen von Ladungsvorzeichen exakt gleiche Eigenschaften haben. Mehrere Experimente haben sich daher die Aufgabe gestellt, die Rydberg-Konstante von Wasserstoff und Antiwasserstoff zu vergleichen oder zu untersuchen, ob beide Teilchensorten in einem Gravitationsfeld in gleicher Weise abgelenkt werden.

Als Paul Dirac die heute nach ihm benannte quantenmechanische Wellengleichung zur Beschreibung der Fermionen aufstellte, fiel ihm bald auf, dass ihre Lösungen sowohl positive als auch negative Energieeigenwerte annehmen können. Auf der Grundlage dieser mathematischen Möglichkeit wagte er 1931 die Prognose, es müsse ein Teilchen mit derselben Masse, aber der umgekehrten elektrischen Ladung des Elektrons geben [1]. Schon im Folgejahr entdeckte Carl Anderson in Nebelkammeraufnahmen von kosmischen Strahlen das Positron, dessen Eigenschaften genau dieser Vorhersage entsprachen [2]. Heute wissen wir, dass jedes Elementarteilchen einen Antimaterie-Partner besitzt und dass sich die Eigenschaften dieser Paare – soweit sie präzise untersucht sind – mit großer Genauigkeit gleichen.

Die vielleicht frappierendste Eigenschaft von Antimaterie ist die Möglichkeit, sie nach Belieben aus dem „Nichts“ zu erschaffen, solange man entsprechend der Gleichung E = mc2 genügend Energie zur Verfügung stellt. Da additive Quantenzahlen wie die Baryonen-und die Leptonenzahl ungefähr erhalten sind, müssen immer Paare von Materie- und Antimaterieteilchen entstehen (Paarbildung). Beim umgekehrten Prozess, der Annihilation, vernichten sich die Partner wieder zu Energie. Je nach Masse der Ausgangsteilchen entstehen dabei entweder Photonen oder zunächst leichtere massebehaftete Teilchen. Nachdem im Urknall gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden waren, annihilierte der überwiegende Teil schon innerhalb der ersten Sekunde miteinander zu Photonen. Doch dieser Vorgang lief aus bisher unbekannten Gründen nicht ganz symmetrisch ab: Am Ende blieb etwa ein Milliardstel gewöhnliche Materie übrig.

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