Jedermann hat schon von Antimaterie gehört - aber was ist das eigentlich? Vor ein paar Jahren hat das europäische Forschungszentrum CERN Schlagzeilen gemacht, als dort erstmals Anti-Wasserstoff-Atome erzeugt wurden, aber im täglichen Leben treffen wir eigentlich nie auf diese geheimnisvolle Antimaterie. Dass das sehr gut ist, da sich Teilchen und Antiteilchen, die einander begegnen, gegenseitig vernichten und dabei sehr viel Energie abstrahlen, und was der neueste Stand der Forschung ist, berichtet der Physiker Manfred Jeitler in einem Gastbeitrag in der science.ORF.at-Reihe "Young Science".

Von Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik der ÖAW

Kommt diese Energie, die bei der Begegnung von Teilchen und Antiteilchen entsteht, aus dem Nichts? Mitnichten! Die von Albert Einstein geschaffene Relativitätstheorie lehrt uns, dass Masse (oder, wenn man will, Materie) und Energie eigentlich ohnehin dasselbe sind und man sie ineinander umrechnen kann, so wie man auch Euro und Schilling gegeneinander umwechseln kann.

Allerdings ist der "Wechselkurs" ziemlich extrem, nicht einmal die Italiener mit dem Umstieg von Lire auf Euro müssen so viele Nullen wegstreichen! Der "Wechselkurs" von Materie und Energie wird nämlich durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit gegeben (die Lichtgeschwindigkeit mit sich selbst multipliziert).

Da das Licht in einer Sekunde 300 Millionen Meter (300 000 km) zurücklegt, müssen wir bei der Umrechnung von Masse in Energie (bei Verwendung der gebräuchlichen Einheiten Kilogramm und Joule) 17 Nullen anhängen! Wir können also sehr froh sein, dass wir im gewöhnlichen Leben nie mit Gegenständen aus Antimaterie zu tun haben.

Diese würden bei der Berührung mit gewöhnlicher Materie nicht nur sofort selbst verschwinden und eine ebensolche Menge Materie vernichten, sondern eine Explosion von solcher Energie verursachen, dass die Explosion einer Atombombe dagegen nur ein schwacher Funke wäre.

Vielleicht haben sich die Physiker da geirrt, etwas ausgerechnet, das man dann ja doch nie sieht? Keineswegs! Die Hochenergiephysiker haben Tag für Tag mit Antiteilchen zu tun, erzeugen sie in ihren Beschleunigern, messen sie in ihren Detektoren, sehen zu, wie sich Antiteilchen und Teilchen gegenseitig vernichten, oder wie aus bloßer Energie Teilchen-Antiteilchenpaare entstehen.

Dass niemand sonst etwas von diesen Vorgängen merkt, liegt daran, dass die Elementarteilchen so klein sind, so eine kleine Masse haben, dass selbst dann, wenn man beim Umrechnen in Energie-Einheiten 17 Nullen anhängen muss, sich die Energien noch sehr in Grenzen halten.

"Hochenergiephysik" ist also so zu verstehen, dass die untersuchten Teilchen im Vergleich zu ihrer Masse sehr hohe Energien haben, ihre gesamte Bewegungsenergie ist aber doch verschwindend gering im Vergleich zur Bewegungsenergie etwa eines Autos oder Fahrrades.

Die Antiteilchen werden auch nicht nur künstlich erzeugt, sie entstehen ständig bei Kollisionen hochenergetischer Teilchen aus dem Weltraum (der sogenannten kosmischen Strahlung, siehe Abbildung) mit den Atomen der Erdatmosphäre, und viele von diesen erreichen dann auch die Erdoberfläche, um dann aber alsbald zu zerfallen und mit gewöhnlicher Materie zu "zerstrahlen".

Wir stehen also ständig in einem Regen von Teilchen und Antiteilchen, der allerdings glücklicherweise so schwach ist, dass wir ohne spezielle Detektoren nichts davon bemerken.

Was wissen wir von den Antiteilchen?

Tatsächlich wurden die Antiteilchen zuerst vorausgesagt (1930, von Physik-Nobelpreisträger Paul Dirac) und erst dann experimentell gemessen (1932 wurden erstmals "Positronen", die Antiteilchen der Elektronen, gesichtet). Und die theoretischen Berechnungen lehren uns noch etwas anderes: beim so genannten Urknall entstanden vorerst genauso viele Antiteilchen wie Teilchen!

Warum? Jeder kennt den Spruch: Aus nichts wird nichts! Die Welt ist aber gar nicht aus dem Nichts entstanden, sondern aus reiner Energie. Nun kann sich aber Energie nicht einfach in Materie verwandeln, sondern nur in Paare von Teilchen und Antiteilchen (also Materie und eine entsprechende Menge Antimaterie).

Auch das kann man wieder ein bisschen mit der Geldwirtschaft vergleichen. Man kann nicht einfach Geld "erzeugen" (außer man betreibt eine inflationäre Politik). Wenn aber die Sparer ihr Geld auf die Bank tragen, können die Firmen dieses Geld in Form von Krediten bekommen. Die Summe der Spareinlagen muss immer der Summe aller Kredite (plus Rücklagen der Bank) entsprechen.

Die Physiker drücken das so aus: alle Teilchen haben so genannte "Quantenzahlen", und die Summe aller Quantenzahlen darf sich nicht ändern. So hat zum Beispiel ein Proton die "Baryonzahl" +1 (plus eins), und ein Antiproton die Baryonzahl -1 (minus eins). Wenn vorher in der Welt die Summe aller Baryonzahlen Null war, so kann ich ein Proton-Antiprotonpaar erzeugen, und die Summe (1-1) ist noch immer Null.

Aber was heißt hier "darf", wer "verbietet" denn, dass sich die Summe ändert? Kommt da die Teilchenpolizei und gibt dem Proton ein Strafmandat? Natürlich nicht, gemeint ist hier vielmehr, dass man das einfach nie beobachtet hat, es ist also eine Erfahrungstatsache, die als "Verbot" formuliert wird.

Und da wir annehmen, dass beim Urknall die Naturgesetze dieselben waren wie heute (sonst könnten wir ja gar keine Aussagen darüber machen), erwarten wir auf Grund unserer heutigen Erfahrung bei physikalischen Experimenten, dass damals genauso viel Materie wie Antimaterie entstanden sein muss.

Astronomen, Kosmologen und Physiker haben gemeinsam ein ziemlich genaues Bild davon erarbeitet, wie unsere Welt entstanden ist. Vor gut 10 Milliarden Jahren war das Weltall nur so groß wie ein Punkt (eine "Singularität", wie man dies wissenschaftlich bezeichnet, ein Objekt ohne irgendeine Ausdehnung - was wir uns natürlich auch kaum vorstellen können), und wir wissen nicht, was vorher war, ja viele bestreiten, dass es überhaupt Sinn hat, nach dem "Vorher" zu fragen, denn zu jenem Zeitpunkt entstanden auch Raum und Zeit selber.

Tatsache ist wohl, dass es damals eine Art Explosion gab, der Punkt begann, sich sehr schnell auszudehnen. Diese Ausdehnung findet noch immer statt und wird nach neuesten Erkenntnissen vermutlich bis in alle Ewigkeit weiter dauern. (Augenfälliges Anzeichen dafür ist die sogenannte "Rotverschiebung" ferner Galaxien: durch den so genannten Doppler-Effekt erscheint deren Licht zu längeren Wellenlängen, ins Rote, verschoben.)

Beim Urknall entstanden Teilchen und Antiteilchen, viele sind bald wieder verschwunden, haben sich gegenseitig vernichtet oder sind zerfallen, und unsere heutige Welt mit allen Sternen, Galaxien, Planeten, Apfelbäumen und Autos besteht aus den Teilchen, die bis heute überlebt haben.

Wieso haben sich nicht gleich nach dem Urknall alle Teilchen mit ihren Antiteilchen gegenseitig vernichtet? Nun, man könnte sich denken, dass die Teilchen beim Urknall so rasch auseinander flogen, dass sie einfach keine Zeit hatten, das entsprechende Antiteilchen zu finden. Natürlich, dort wo sich später Materie zusammengeballt hat, in den Sternen, ist es verständlich, dass nur jeweils Materie oder Antimaterie überbleiben konnte, der Rest musste wohl zerstrahlen.

Wir, unsere Erde, die anderen Planeten und die Sonne bestehen aus Materie. Sind vielleicht andere Sonnensysteme in unserer Nachbarschaft aus Antimaterie aufgebaut? Soviel wir wissen, nein, in unserer ganzen Milchstraße gibt es praktisch keine Antimaterie. Das könnte man sich dadurch erklären, dass die verschiedenen Sonnensysteme und die "interstellare Materie" einander zu oft begegnen und dass daher etwaige Antimaterie-Sonnen schon zerstrahlt sind.

Aber andere Galaxien könnten doch wohl aus Antimaterie bestehen? Müssen künftige Raumreisende also da recht vorsichtig sein, bevor sie in einer anderen Galaxie landen? (Immerhin haben sie auf der Reise dorthin ja einige Millionen Jahre Zeit, sich das gut zu überlegen!) Soviel wir wissen, bestehen aber auch alle anderen Galaxien aus Materie und nicht aus Antimaterie.

Dafür gibt es viele Hinweise, unter anderem sucht man in der kosmischen Strahlung nach "primären Antiteilchen", also Antiteilchen, die aus dem Kosmos kommen und nicht bei Zusammenstößen in der Atmosphäre entstanden sind, und bis jetzt wurden keine solchen aus den Tiefen des Weltalls stammende Antiteilchen gefunden.

Wenn es also tatsächlich im Weltall keine nennenswerten Mengen von Antimaterie gibt, so müssen die Physiker sich wohl einen Mechanismus überlegen, der aus der anfänglichen Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie - der Tatsache, dass es von beiden gleich viel gab - eine gewisse Asymmetrie geschaffen hat. Dabei kann man sich durchaus vorstellen, dass diese Asymmetrie nicht sehr ausgeprägt ist. Es gibt im Weltall so viel Strahlung, dass wir uns vorstellen können, dass der Großteil der ursprünglich vorhandenen Materie mit der gesamten Antimaterie zerstrahlt ist - ein kleines bisschen Materie ist aber übergeblieben!

Wir und unsere Planeten und Sonnen führen also so eine Art Mauerblümchendasein wie die Mädchen (oder Burschen), die in der Tanzschule keinen Partner gefunden haben, weil eben einfach ein paar Mädchen zu viel (oder zu wenig) da sind. In der Tanzschule ist das vielleicht etwas traurig, für uns ist es aber eher ein Grund zur Freude: wir würden ja sonst nicht im Walzertakt über das Parkett gleiten, sondern nur als Lichtquanten durchs Weltall hetzen und damit zwar ein recht flottes, aber doch eher eintöniges Dasein fristen.

Wie sieht es aber nun mit diesem geheimnisvollen Mechanismus aus, der eine zwar kleine, aber doch merkliche Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie schaffen soll? Gibt es da schon irgendwelche Ideen, oder ist das alles einstweilen nur hochtheoretische Spekulation?

Keineswegs: es gibt konkrete Ideen. Das Zauberwort lautet "CP-Verletzung". (Das ist schon richtig geschrieben, niemand will etwa ihren geliebten "PC" zertrümmern.) Die Idee, den Überschuss von Materie über Antimaterie im Weltall mit der CP-Verletzung zu erklären, stammt von dem russischen Physiker Andrej Sakharov.

Der älteren Generation ist dieser Name vielleicht auch deshalb vertraut, weil Sakharov einer der prominentesten Dissidenten in der Sowjetunion war - nachdem er vorher die sowjetische Version der Wasserstoffbombe geschaffen hatte. Um aber zu erklären, was es mit dieser "CP-Verletzung" denn auf sich habe, muss man etwas weiter ausholen.

Eine grundlegende Rolle bei den Überlegungen der modernen Physik spielen verschiedene Symmetrien. Symmetrie ist uns allen ein Begriff. Menschen sind rechts-links-symmetrisch, wir haben auf jeder Seite je ein Ohr, ein Auge, einen Arm und so weiter. Der anatomisch Interessierte weiß jedoch, dass diese Symmetrie nicht durchgehend gilt: schneidet man einen Menschen auf, so sieht man, dass die linke Herzhälfte größer als die rechte ist, die Anzahl der Lungenlappen rechts und links unterscheidet sich, und so weiter. Die Symmetrie ist also eindeutig vorhanden, ist aber bei näherem Hinsehen in mancher Hinsicht verletzt.

Bei Elementarteilchen, die man sich naiv wohl am ehesten als kleine glatte Kügelchen vorstellt, würde man wohl einen hohen Grad an Symmetrie erwarten. Tatsächlich hat man festgestellt, dass die meisten Prozesse unter Spiegelung symmetrisch sind.

Man sagt, die "Parität" (abgekürzt P) sei erhalten. Zeichnet man also den spiegelbildlichen Vorgang auf, so erhält man meist einen Vorgang, der in der Natur mit derselben Wahrscheinlichkeit auftritt. Wohlgemerkt: meist! Es gibt nämlich eine Klasse von Vorgängen, die der sogenannten "Schwachen Wechselwirkung", bei denen das keineswegs der Fall ist!

Eine andere Symmetrie bei Elementarteilchen ist eine, die wir in unserer "makroskopischen" Welt aus gutem Grunde nicht kennen: die unter Austausch von Teilchen und Antiteilchen (genannt C-Symmetrie, vom englischen "Charge" für Ladung). Makroskopisch gesprochen: ein Anti-Hund bellt genauso wie ein Hund. Aber gottseidank laufen wir ja nicht Gefahr, beim Rollschuhlaufen von Anti-Hunden gebissen zu werden. Tatsächlich erhalten wir aber bei Elementarteilchen wieder für die meisten Prozesse dieselben Wahrscheinlichkeiten, wenn wir ein jedes Teilchen durch sein Antiteilchen ersetzen. Und wiederum gibt es hier eine Ausnahme: wieder ist das schwarze Schaf die "Schwache Wechselwirkung", bei der das nicht der Fall ist.

Als man die Verletzung der P- und der C-Symmetrie bemerkt hat (die Verletzung der Parität in der Schwachen Wechselwirkung wurde in einem von der Nobelpreisträgerin C.S. Wu 1957 durchgeführten Experiment eindeutig bewiesen), war das ein schwerer Schlag für viele Physiker, die durch vorhandene Symmetrien auf ein einfaches Modell der Natur hofften.

Ein kleiner Trost war dabei, dass wenigstens die kombinierte CP-Symmetrie erhalten schien: vertauscht man Teilchen mit Antiteilchen und spiegelt gleichzeitig das Geschehen, so laufen auch alle Vorgänge der "Schwachen Wechselwirkung" wieder mit genau denselben Wahrscheinlichkeiten ab.

Wirklich alle? Nein! Es gibt Ausnahmen: beim Zerfall der so genannten "neutralen Kaonen" und "neutralen B-Mesonen" (zweier Arten von Elementarteilchen) ist auch die kombinierte CP-Symmetrie verletzt, wie erstmals 1964 experimentell für den Fall der Kaonen festgestellt wurde. (Der Nachweis für die neutralen B-Mesonen wurde erst letztes Jahr gebracht.) Das hat zwar so manche Physiker in ihrem ästhetischen Empfinden gestört, andererseits konnte aber, wie bereits erwähnt, Sakharov gerade auf diesem Sachverhalt aufbauend eine erste Theorie entwickeln, mit deren Hilfe das Überwiegen der Materie über die Antimaterie erklärt werden kann.

Haben wir bereits die endgültige Bestätigung dafür, dass unsere Existenz nicht mit den Gesetzen der Physik im Widerspruch steht? Nicht ganz. Die bis jetzt gemessenen Effekte der CP-Verletzung reichen noch nicht aus, das Verhältnis von Materie und Antimaterie zu erklären, und sowohl Experiment wie auch Theorie haben noch so manche Arbeit zu leisten, bis alles richtig verstanden sein wird.

So arbeitet auch das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften bei Experimenten am CERN in Genf sowie am KEK in Japan mit, um den genauen Mechanismus der CP-Verletzung besser verstehen zu lernen (in Genf werden die oben erwähnten Kaonen, in Japan die B-Mesonen untersucht).

Aber die Ansätze sind vielversprechend, und so können wir mit Recht hoffen, dass wir eines Tages unsere Existenz und die Existenz der Welt nicht nur einfach als offensichtlich hinnehmen werden müssen, sondern auch wirklich verstehen werden.

Aktuelle und weiterführende Links zum Thema:

Forschungszentrum CERN in Genf
Onlinemagazin Wissenschaft.de

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