Teilchenphysik: Antimaterie
1928 stellte P.A.M. Dirac (1902-1984) seine relativistische Theorie des Elektrons auf und schloss aus dieser Theorie, dass es ein anderes Teilchen geben müsse, welches dieselben Eigenschaften wie das Elektron, jedoch die entgegengesetzte elektrische Ladung - also +1 - habe. Carl David Anderson (1905-1991) entdeckte 1932 in einer Nebelkammeraufnahme dieses Teilchen und nannte es Positron. Das Bild ist in horizontaler Richtung mit Hilfe einer Wilsonkammer aufgenommen und zeigt in der Mitte eine Bleiplatte von 6 mm Wandstärke. Ein horizontales Magnetfeld bewirkt eine Ablenkung der Teilchen von der Geraden. Aus der Richtung der Ablenkung im Magnetfeld ergibt sich, dass es ein positives Teilchen sein muss. Da die Krümmung oben stärker ist, muss das Teilchen von unten gekommen sein. Aus der Länge und der Bahnkrümmung schloss Anderson, dass es sich nicht um ein Proton handeln kann, sondern dass es ein leichteres Teilchen sein muss.
Heute wissen wir, dass es zu fast jedem Teilchen ein Antiteilchen gibt, welches dieselbe Masse wie das "normale" Teilchen, aber die entgegengesetzte elektrische Ladung hat. Eine Ausnahme davon sind einige neutrale Teilchen (z.B. das Photon), die mit ihrem Antiteilchen identisch sind. Wenn Sie jetzt jedoch denken, dass das Neutron kein Antiteilchen hätte, so muss ich Sie enttäuschen, denn wie wir gesehen haben, sind Neutronen aus drei geladenen Quarks aufgebaut. Ein Antineutron besteht also aus drei Antiquarks (1 Anti-Up- und 2 Anti-Down-Quarks), und ist so ebenfalls elektrisch neutral.
Da Antiteilchen - die Ladung ausgenommen - dieselben Eigenschaften wie normale Materie besitzen, können sich Antiteilchen ebenfalls zu Antimaterie zusammensetzen. So ist es bereits 1995 gelungen, ein Anti-Wasserstoff-Atom zu erzeugen, das aus einem Antiproton und einem Positron besteht.
Trifft ein Teilchen auf sein entsprechendes Antiteilchen, so vernichten sie sich beide vollständig und werden zu Energie - also zu Photonen. Diesen Prozess nennt man Annihilation. Die Annihilation von Positronen verwendet man bei dem medizinischen Bildgebungsverfahren der Positronen-Emissions-Tomographie. Dabei kann ein dreidimensionales Bild von metabolischen Prozessen, die im Körper ablaufen, gewonnen werden. Die zwei Gammastrahlen, die bei der Annihilation auftreten und in entgegengesetzte Richtung fliegen, ermöglichen eine genaue Feststellung des Ortes der Annihilation.
Die bei der Annihilation auftretenden Energien sind enorm, denn schließlich wird die komplette Masse nach Einsteins Formel E = mc² umgewandelt. So hat 1 kg Antimaterie ein Energieäquivalent von 9 · 1016 Joule; bei der Annihilation mit 1 kg Materie entstünden etwa 50 Milliarden kWh. Dies hat dazu geführt, dass man über die Möglichkeit der Nutzung der Antimaterie als Energiequelle - aber auch als Massenvernichtungswaffe - nachgedacht hat. Da in der Natur jedoch praktisch keine Antimaterie vorkommt (was ja nur logisch ist, sonst hätte sie sich ja schon annihiliert) und die Erzeugung von Antimaterie weit mehr Energie braucht, als man durch sie wieder gewinnen kann, ist dies unrealistisch.1
Andersherum, kann sich ein Photon, wenn es genügend Energie hat, in der Nähe eines Atomkerns in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar verwandeln - hier spricht man von Paarbildung.
Bei teilchenphysikalischen Formeln stellt man Antiteilchen immer mit dem Zeichen ihres "normalen" Partners und mit einem Querstrich darüber dar. Das Antiteilchen des Protons ist also das . Eine Ausnahme davon ist das Positron, welches man schreibt - es ist das Antiteilchen des Elektrons.
| Teilchen | Ladung des Teilchens | Antiteilchen | Ladung des Antiteilchens |
|---|---|---|---|
| + 1 | - 1 | ||
| 0 | 0 | ||
| + 2/3 | - 2/3 | ||
| - 1/3 | + 1/3 | ||
| - 1 | + 1 |
1) Es sei angemerkt, dass spekuliert wird, Albert Einstein hätte kurz vor seinem Lebensende eine Möglichkeit dazu entdeckt und diese Entdeckung nicht veröffentlicht, um zu verhindern, dass Sie als Waffe verwendet wird.
