R. Michael Barnett vom Lawrence Berkeley National Laboratory und Helen Quinn vom Stanford Linear Accelerator Center geben diese Antwort, die in Teilen aus ihrem Buch „The Charm of Strange Quarks“ stammt:
Im Jahr 1930 formulierte Paul Dirac eine Quantentheorie für die Bewegung von Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern, die erste Theorie, die Einsteins Spezielle Relativitätstheorie korrekt in diesen Kontext einbezog. Diese Theorie führte zu einer überraschenden Vorhersagedie Gleichungen, die das Elektron beschrieben auch beschrieben, und in der Tat erforderlich, die Existenz einer anderen Art von Teilchen mit genau der gleichen Masse wie das Elektron, aber mit positiven statt negativen elektrischen Ladung. Dieses Teilchen, das Positron genannt wird, ist das Antiteilchen des Elektrons, und es war das erste Beispiel für Antimaterie.
Seine Entdeckung in Experimenten bestätigte bald die bemerkenswerte Vorhersage von Antimaterie in Diracs Theorie. Eine Nebelkammeraufnahme von Carl D. Anderson aus dem Jahr 1931 zeigte ein Teilchen, das von unten eintrat und eine Bleiplatte durchquerte. Die Richtung der Krümmung des Weges, die durch ein Magnetfeld verursacht wurde, deutete darauf hin, dass es sich um ein positiv geladenes Teilchen handelte, das jedoch die gleiche Masse und andere Eigenschaften wie ein Elektron hatte. In Experimenten werden heute routinemäßig große Mengen von Positronen erzeugt.
Diracs Vorhersage gilt nicht nur für das Elektron, sondern für alle fundamentalen Bestandteile der Materie (Teilchen). Jede Teilchenart muss eine entsprechende Antiteilchenart haben. Die Masse eines jeden Antiteilchens ist identisch mit der des Teilchens. Alle übrigen Eigenschaften sind ebenfalls eng verwandt, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen aller Ladungen. Zum Beispiel hat ein Proton eine positive elektrische Ladung, ein Antiproton jedoch eine negative elektrische Ladung. Die Existenz von Antimateriepartnern für alle Materieteilchen ist mittlerweile ein gut verifiziertes Phänomen, wobei beide Partner für hunderte solcher Paarungen beobachtet wurden.
Neue Entdeckungen führen zu einer neuen Sprache. Mit der Prägung des Begriffs „Antimaterie“ haben die Physiker die Bedeutung des Wortes „Materie“ faktisch neu definiert. Bis dahin bedeutete „Materie“ alles, was Substanz hat; noch heute geben Schulbücher diese Definition: „Materie nimmt Raum ein und hat Masse“. Mit der Einführung des Konzepts der Antimaterie, das sich von der Materie unterscheidet, verengten die Physiker die Definition von Materie auf bestimmte Arten von Teilchen, darunter jedoch alle, die in der alltäglichen Erfahrung vorkommen.
Jedes Paar aus passendem Teilchen und Antiteilchen kann jederzeit erzeugt werden, wenn genügend Energie vorhanden ist, um die notwendige Masse-Energie bereitzustellen. Ebenso können sich die Teilchen und Antiteilchen jederzeit gegenseitig vernichten, d.h. sie verschwinden beide, wobei ihre Energie in eine andere Form umgewandelt wird.
Es gibt keinen intrinsischen Unterschied zwischen Teilchen und Antiteilchen; sie treten in allen Teilchentheorien im Wesentlichen gleich auf. Das bedeutet, dass die physikalischen Gesetze für Antiteilchen fast identisch mit denen für Teilchen sind; jeder Unterschied ist ein winziger Effekt. Aber es gibt sicherlich einen dramatischen Unterschied in der Anzahl dieser Objekte, die wir in der Welt um uns herum finden; die ganze Welt ist aus Materie gemacht. Jede Antimaterie, die wir im Labor erzeugen, verschwindet bald wieder, weil sie auf passende Materieteilchen trifft und sich vernichtet.
Moderne Theorien der Teilchenphysik und der Entwicklung des Universums legen nahe oder erfordern sogar, dass Antimaterie und Materie in den frühesten Stadien gleich häufig vorkamen – warum ist Antimaterie also heute so selten? Das beobachtete Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie ist ein noch zu erklärendes Rätsel. Ohne dieses Ungleichgewicht wäre das Universum heute sicherlich ein viel uninteressanterer Ort, denn es gäbe praktisch keine Materie mehr; durch Annihilation hätte sich bereits alles in elektromagnetische Strahlung verwandelt. Dieses Ungleichgewicht ist also eindeutig eine Schlüsseleigenschaft der Welt, die wir kennen. Versuche, es zu erklären, sind heute ein aktives Forschungsgebiet.
Um diese Frage zu beantworten, müssen wir jenen winzigen Teil der physikalischen Gesetze besser verstehen, der sich für Materie und Antimaterie unterscheidet; ohne einen solchen Unterschied gäbe es keine Möglichkeit, dass ein Ungleichgewicht entsteht. Diese Unterscheidung wird in einer Reihe von Experimenten auf der ganzen Welt untersucht, die sich auf Unterschiede in den Zerfällen von Teilchen, die B-Mesonen genannt werden, und ihren Antiteilchenpartnern konzentrieren. Diese Experimente werden sowohl an Elektron-Positron-Collider-Anlagen, die B-Fabriken genannt werden, als auch an Hochenergie-Hadron-Collidern durchgeführt, da jede Art von Anlage unterschiedliche Möglichkeiten bietet, um zur Untersuchung dieses Details der physikalischen Gesetze beizutragen – ein Detail, das für eine so wichtige Eigenschaft des Universums verantwortlich ist wie die Tatsache, dass es überhaupt etwas gibt!
Maria Spiropulu ist Doktorandin der Physik in Harvard. Ihre Antwort folgt:
Lassen Sie uns damit beginnen, Materie zu definieren. Die Frage „Was ist Materie?“ wird schon seit langer Zeit gestellt. Demokrit, der antike griechische Philosoph und Mathematiker, sah in den Bausteinen von allem eine Struktur, und er nannte die Basis für diese Struktur ein Atom; er schrieb: „Nichts existiert außer Atomen und leerem Raum: alles andere ist Meinung.“ Auf atomarer Ebene lässt sich die Welt mit den Elementen beschreiben, also mit Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Co.
Wie sich jedoch herausstellt, sind Atome nicht die grundlegenden Bestandteile der Materie. Wenn wir näher in die Materie hineinzoomen, indem wir in kleineren Abständen sondieren, entfaltet sich die subatomare Welt. Je näher wir schauen, desto seltsamer verhält sich diese Welt, die Quantenwelt, tatsächlich. Wir können keinen direkten Bezug zu ihr herstellen: Im kleinen Maßstab verhalten sich die Objekte nicht wie Stäbe oder Kugeln oder Wellen oder Wolken oder irgendetwas, das wir jemals direkt erlebt haben. Aber die Quantenmechanik dieser Welt lässt uns beschreiben, wie Atome Moleküle bilden.
Sie ermöglicht es uns auch, die „Bewegung“ bestimmter Teilchen innerhalb von Atomen darzustellen. Atome bestehen nämlich aus Elektronen, die um die festen Protonen und Neutronen in ihren Kernen, die aus Quarks bestehen, herumschwirren. Diese Teilchen interagieren alle miteinander mittels „Kraft-Boten“-Teilchen, wie Photonen, Gluonen, W’s und Z’s. Aufgrund der Eigenschaften dieser Teilchen ordnen wir ihnen Identifikationsnummern, sogenannte Quantenzahlen, zu. Und mit Hilfe von Symmetrien und Erhaltungsgesetzen, die die Quantenzahlen der Teilchen betreffen, können wir ihre Wechselwirkungen beschreiben. Beispiele für solche Zahlen sind die Ladung und der Eigendrehimpuls, auch Spin genannt.
Wenn a ein beliebiges Teilchen ist und dieses Teilchen keine anderen Eigenschaften hat als Ladung und Eigendrehimpuls (zu denen auch Energie und Spin gehören), dann ist a sein eigenes Antiteilchen – einer der Bestandteile der Antimaterie. Zum Beispiel ist das Photon sein eigenes Antiteilchen. Wenn ein Teilchen hat andere Attribute (wie eine elektrische Ladung Q), dann die Anti-Teilchen hat die entgegengesetzten Attribute (oder eine Ladung von -Q). Das Proton und das Neutron haben solche Eigenschaften. Im Fall des Protons unterscheidet es sich durch seine positive Ladung von dem negativ geladenen Antiproton. Das Neutron – obwohl elektrisch neutral – hat ein magnetisches Moment, das dem des Anti-Neutrons entgegengesetzt ist. Protonen und Neutronen haben eine weitere Quantenzahl, die Baryonenzahl, die bei den entsprechenden Antiteilchen ebenfalls das entgegengesetzte Vorzeichen hat.
Den Vorgang, Teilchen mit Antiteilchen zu vertauschen, nennt man Ladungskonjugation (C). Teilchen und Antiteilchen haben die exakt gleiche Masse und gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen und magnetische Momente; wenn sie instabil sind, haben sie die gleiche Lebensdauer. Diese Zeitspanne wird als Ladungskonjugations-Paritäts-Zeit-Invarianz (CPT) bezeichnet, die besagt, dass man, wenn man Teilchen gegen Antiteilchen (C) austauscht, in einen dreidimensionalen Spiegel (P) schaut und die Zeit (T) umkehrt, keinen Unterschied zwischen den beiden feststellen kann. Die strengsten Tests der CPT bis heute sind Messungen des Verhältnisses der magnetischen Momente des Elektrons und Positron auf zwei Teile in einer Billion (R. Van Dyck, Jr. und P. B. Schwinberg, University of Washington,1987) und Messungen der Ladung pro Masse des Proton und Antiproton – gefunden, um 0 sein.999,999,999,91 bis 90 Teile pro Billion (G. Gabrielse, Harvard, 1998).
Antimaterie entstand als Lösung für die Tatsache, dass die Gleichung, die ein freies Teilchen in Bewegung beschreibt (die relativistische Beziehung zwischen Energie, Impuls und Masse) hat nicht nur positive Energie-Lösungen, sondern auch negative! Wäre dies der Fall, würde nichts ein Teilchen daran hindern, in unendlich viele negative Energiezustände zu fallen und dabei unendlich viel Energie abzugeben – etwas, das nicht passiert. 1928 postulierte Paul Dirac die Existenz von positiv geladenen Elektronen. Das Ergebnis war eine Gleichung, die sowohl Materie als auch Antimaterie in Form von Quantenfeldern beschrieb. Diese Arbeit war ein wahrhaft historischer Triumph, weil sie experimentell bestätigt wurde und eine neue Art des Denkens über Teilchen und Felder einleitete.
Im Jahr 1932 entdeckte Carl Anderson das Positron bei der Messung kosmischer Strahlung in einem Wilson-Kammer-Experiment. 1955 entdeckten Emilio Segre, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand und Thomas Ypsilantis am Bevatron in Berkeley das Antiproton. Und 1995 synthetisierten Wissenschaftler am CERN zum ersten Mal Anti-Wasserstoff-Atome.
Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen kollidieren, vernichten sie sich in Energie, die von „Kraft-Boten“-Teilchen getragen wird, die anschließend in andere Teilchen zerfallen können. Wenn zum Beispiel ein Proton und ein Antiproton bei hohen Energien annihilieren, kann ein top-anti-top-Quark-Paar entstehen!
Ein faszinierendes Rätsel ergibt sich, wenn wir bedenken, dass die Gesetze der Physik Materie und Antimaterie nahezu symmetrisch behandeln. Warum haben wir dann keine Begegnungen mit Antimenschen, die aus Anti-Atomen bestehen? Wie kommt es, dass die Sterne, der Staub und alles andere, was wir beobachten, aus Materie besteht? Wenn der Kosmos mit gleichen Mengen von Materie und Antimaterie begann, wo ist dann die Antimaterie?
Experimentell zeigt das Fehlen von Annihilationsstrahlung aus dem Virgo-Haufen, dass innerhalb von ~20 Megaparsec (Mpc), der typischen Größe von Galaxienhaufen, wenig Antimaterie zu finden ist. Dennoch existiert ein reichhaltiges Programm zur Suche nach Antimaterie in der kosmischen Strahlung. Unter anderem unterstützen die Ergebnisse des High-Energy Antimatter Telescope, einem Ballon-Experiment zur kosmischen Strahlung, sowie die Ergebnisse von 100 Stunden Daten des Alpha Magnetic Spectrometer an Bord des Space Shuttle der NASA die Dominanz der Materie in unserem Universum. Die Ergebnisse des in der Umlaufbahn befindlichen Compton Gamma Ray Observatory der NASA enthüllen jedoch, dass es sich um Wolken und Fontänen von Antimaterie im galaktischen Zentrum handeln könnte.
Wir haben festgestellt, dass es eine ungefähre Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie gibt. Man nimmt an, dass diese kleine Asymmetrie zumindest teilweise dafür verantwortlich ist, dass die Materie die Antimaterie in unserem Universum überlebt. Kürzlich haben sowohl das NA48-Experiment am CERN als auch das KTeV-Experiment am Fermilab diese Asymmetrie mit ausreichender Präzision direkt gemessen, um sie nachzuweisen. Und eine Reihe von Experimenten, darunter das BaBar-Experiment am Stanford Linear Accelerator Center und Belle am KEK in Japan, stellen sich der gleichen Frage in anderen Teilchensystemen.
Antimaterie bei niedrigeren Energien wird in der Positronen-Emissions-Tomographie verwendet (siehe dieses PET-Bild des Gehirns). Aber Antimaterie hat das öffentliche Interesse vor allem als Treibstoff für das fiktive Raumschiff Enterprise in Star Trek geweckt. Tatsächlich schenkt die NASA der Antimaterie als möglichem Treibstoff für interstellare Antriebe ihre Aufmerksamkeit. An der Penn State University beschäftigt sich die Gruppe Antimatter Space Propulsion mit der Herausforderung, Antimaterie-Annihilation als Energiequelle für den Antrieb zu nutzen. Sehen wir uns auf dem Mars?
Antwort ursprünglich veröffentlicht am 18. Oktober 1999