“Antimaterie unterscheidet sich physikalisch und chemisch nicht von Materie. Eigentlich ist das die gleiche Sache, nur umgekrempelt. Für Procyonide gelten unsere physikalischen und chemischen Handbücher genauso wie für uns. Sie beschreiben die gleichen Muster, die gleichen Reaktionen mit den gleichen Elementen. Nur für sie ist unsere Materie Antimaterie. Die Frage ist, in welche Richtung man schauen soll. (Krzysztof Borun, „Antimir“, 1963)
Die Vorstellung von der Möglichkeit der Existenz von Antimaterie wurde in der Ära der klassischen Physik Ende des 19. Jahrhunderts geäußert
Die Entdeckung der Antiteilchen gilt zu Recht als die größte Errungenschaft der Physik des 20. Jahrhunderts. Es bewies zum ersten Mal die Instabilität der Materie auf der tiefsten, grundlegendsten Ebene. Davor war sich jeder sicher, dass die Substanz unserer Welt aus Elementarteilchen besteht, die niemals verschwinden und nicht wiedergeboren werden. Dieses einfache Bild gehörte der Vergangenheit an, als vor fast 80 Jahren bewiesen wurde, dass ein Elektron und sein positiv geladener Zwilling verschwinden, wenn sie sich treffen, wodurch Quanten elektromagnetischer Strahlung entstehen. Später stellte sich heraus, dass die Teilchen der Mikrowelt im Allgemeinen dazu neigen, sich ineinander zu verwandeln, und zwar in vielerlei Hinsicht. Die Entdeckung von Antiteilchen markierte den Beginn einer radikalen Transformation grundlegender Vorstellungen über die Natur der Materie.
Die Idee der Möglichkeit der Existenz von Antimaterie wurde erstmals 1898 geäußert – der Engländer Arthur Schuster veröffentlichte eine sehr vage Notiz in der Zeitschrift Nature, wahrscheinlich inspiriert von der jüngsten Entdeckung des Elektrons. „Wenn es negative Elektrizität gibt“, fragte Schuster, „warum sollte es dann nicht negativ geladenes Gold geben, dasselbe Gelb, mit demselben Schmelzpunkt und mit demselben Spektrum?“Und dann tauchen zum ersten Mal in der wissenschaftlichen Weltliteratur die Worte „Antiatom“und „Antimaterie“in seinen Worten auf. Schuster ging davon aus, dass Antiatome durch Gravitationskräfte angezogen, aber von gewöhnlicher Materie abgestoßen werden.
Antielektronen wurden zuerst in einem Experiment bemerkt, wiederum vor ihrer offiziellen Entdeckung. Dies geschah durch den Leningrader Physiker Dmitry Skobeltsin, der in den 1920er Jahren die Streuung von Gammastrahlen durch Elektronen in einer Nebelkammer in einem Magnetfeld untersuchte. Ihm ist aufgefallen, dass einige Tracks scheinbar elektronischen Ursprungs in die falsche Richtung gebogen sind. Der Punkt ist natürlich, dass ein Gammastrahlenquant bei der Wechselwirkung mit Materie ein Elektron und ein Positron entstehen lassen kann, die sich in einem Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen drehen. Skobeltsin wusste das natürlich nicht und konnte sich den seltsamen Effekt nicht erklären, aber 1928 berichtete er auf einer internationalen Konferenz in Cambridge darüber. Durch einen amüsanten Zufall wurde ein Jahr zuvor ein junger theoretischer Physiker, Paul Dirac, in den Rat des St. John's College in Cambridge gewählt, dessen Forschung diese Anomalien schließlich erklären sollte.
Dirac-Gleichung
1926 formulierte der Österreicher Erwin Schrödinger eine Gleichung, die das Verh alten nichtrelativistischer Teilchen beschreibt, die der Quantenmechanik gehorchen – eine Differentialgleichung, deren Lösungen die Zustände der Teilchen bestimmen. Die Schrödinger-Gleichung beschrieb ein Teilchen, das keinen eigenen Drehimpuls hat - Spin (mit anderen Worten, sich nicht wie ein Kreisel verhält). Allerdings war bereits 1926 bekannt, dass Elektronen einen Spin haben, der zwei verschiedene Werte annehmen kann: Grob gesagt ist die Achse einer Elektronenspitze im Raum nur in zwei entgegengesetzte Richtungen orientiert (ein Jahr später gelang ein ähnlicher Nachweis für Protonen). Gleichzeitig verallgemeinerte der Schweizer Theoretiker Wolfgang Pauli die Schrödinger-Gleichung für das Elektron, sodass der Spin berücksichtigt werden konnte. So wurde der Spin zunächst experimentell entdeckt und dann der Schrödinger-Gleichung künstlich aufgeprägt.
In Einsteins relativistischer Mechanik sieht die Formel für die Energie eines freien Teilchens komplizierter aus als in der Newtonschen. Die Einsteinsche Formel in eine Quantengleichung zu übersetzen ist nicht schwierig, sowohl Schrödinger als auch drei seiner Zeitgenossen haben es geschafft. Aber die Lösungen einer solchen Gleichung zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen an einem bestimmten Punkt zu finden, negativ sein kann, was keine physikalische Bedeutung hat. Weitere Ärgernisse ergeben sich aus der Tatsache, dass die mathematische Struktur der neuen Gleichung (genannt Klein-Gordon-Gleichung) von der Relativitätstheorie abweicht (in der formalen Sprache ist sie nicht relativistisch invariant).
Das ist das Problem, über das Dirac 1927 nachdachte. Um die Invarianz zu wahren, fügte er in die Gleichung nicht die Quadrate der Energie- und Impulsoperatoren ein, sondern ihre erste Potenz. Um die Gleichung in dieser Form zu schreiben, war es notwendig, zunächst komplexere 4x4-Matrizen als die von Pauli einzuführen. Diese Gleichung hat vier gleiche Lösungen, und in zwei Fällen ist die Energie des Elektrons positiv und in zwei Fällen negativ.
Da kam der Haken ins Spiel. Das erste Lösungspaar wurde einfach interpretiert - dies ist ein gewöhnliches Elektron in jedem der möglichen Spinzustände. Wenn wir der Dirac-Gleichung ein elektromagnetisches Feld hinzufügen, stellt sich leicht heraus, dass das Elektron das richtige magnetische Moment hat. Das war ein gigantischer Erfolg für Diracs Theorie, die dem Elektron ohne weitere Annahmen sowohl einen Spin als auch ein magnetisches Moment verlieh. Allerdings konnte zunächst niemand entscheiden, was mit den restlichen Entscheidungen geschehen sollte. Sowohl in der Newtonschen als auch in der Einsteinschen Mechanik ist die Energie eines freien Teilchens niemals negativ, und Teilchen mit Energien kleiner als Null waren rätselhaft. Außerdem war nicht klar, warum gewöhnliche Elektronen nicht in Zustände mit offensichtlich niedrigerer Energie gehen, die von Diracs Theorie vorhergesagt werden, während Elektronen in Atomhüllen diese Gelegenheit nicht verpassen.
Suche nach Bedeutung
Zwei Jahre später fand Dirac eine sehr schöne Interpretation paradoxer Lösungen. Gemäß dem Pauli-Prinzip können sich zwei Elektronen (sowie beliebige Teilchen mit halbzahligem Spin) nicht gleichzeitig im gleichen Quantenzustand befinden. Laut Dirac sind normalerweise alle Zustände mit negativer Energie bereits gefüllt, und der Übergang in diese Zustände aus der Zone positiver Energien ist durch das Pauli-Prinzip verboten. Daher ist das Dirac-Meer aus Elektronen mit negativer Energie im Prinzip unbeobachtbar, aber nur solange es keine freien Stellen darin gibt. Eine solche Leerstelle kann entstehen, wenn ein Elektron von einem negativen Energieniveau auf ein positives geschlagen wird (beispielsweise durch ein ausreichend starkes Quant elektromagnetischer Strahlung). Da das Elektronenmeer eine negative Ladung verliert, verhält sich die entstehende Leerstelle (Dirac nannte sie ein Loch) im elektrischen Feld wie ein positiv geladenes Teilchen. Nach der gleichen Logik führt der Fall eines Elektrons aus dem Normalzustand in ein solches Loch zum Verschwinden sowohl des Elektrons als auch des Lochs, begleitet von der Emission eines Photons.
Wie verh alten sich Dirac-Löcher in der realen Welt? Zunächst identifizierte Dirac sie mit Protonen, über die er 1930 in Nature schrieb. Es war zumindest seltsam - ein Proton ist 2000-mal schwerer als ein Elektron. Der spätere Akademiker und Nobelpreisträger Igor Tamm und der spätere Vater der Atombombe Robert Oppenheimer brachten einen ernsteren Einwand vor, indem sie feststellten, dass dann jedes Wasserstoffatom vom Aussterben bedroht sei und dies in der Natur nicht vorkomme. Dirac gab diese Hypothese bald auf und veröffentlichte im September 1931 eine Arbeit, in der er voraussagte, dass sich Löcher, wenn sie entdeckt werden könnten, als völlig neue Teilchen herausstellen würden, die der Experimentalphysik unbekannt sind. Er schlug vor, sie Antielektronen zu nennen.
Das Dirac-Modell ging in die Geschichte ein nach der Entstehung der Quantenelektrodynamik und der Quantenfeldtheorie, die Teilchen und Antiteilchen dieselbe Realität zuschreiben. Aus der Quantenelektrodynamik folgt auch, dass das Zusammentreffen eines freien Elektrons mit einem Antielektron die Geburt von mindestens einem Quantenpaar nach sich zieht, sodass das Modell in diesem Teil einfach falsch ist. Wie so oft erwies sich die Dirac-Gleichung als viel klüger als die von ihrem Schöpfer vorgeschlagene Interpretation.
Entdeckung des Antielektrons
Wie bereits erwähnt, wurden Positronen tatsächlich von Dmitry Skobeltsin beobachtet. 1930 stieß Chung-Yao Chao, ein Doktorand am California Institute of Technology, auf sie, als er den Durchgang von Gammastrahlen durch Bleifolie untersuchte. Bei diesem Experiment entstanden Elektron-Positron-Paare, wonach die neugeborenen Positronen mit den Elektronen der Atomhüllen vernichteten und sekundäre Gammastrahlung erzeugten, die von Chao registriert wurde. Viele Physiker zweifelten jedoch an den Ergebnissen, und diese Arbeit wurde nicht anerkannt.
Chaos Anführer war C altechs Präsident, Nobelpreisträger Robert Milliken, der zu dieser Zeit an kosmischer Strahlung arbeitete (er prägte den Begriff). Millikan hielt sie für einen Strom von Gammastrahlen und erwartete daher, dass sie Atome in Elektronen und Protonen sp alten würden (das Neutron wurde später, 1932, entdeckt). Millikan schlug Karl Anderson vor, diese Hypothese zu testen, einem weiteren seiner Doktoranden und ebenfalls einem Freund von Chao. Er entschied sich wie Skobeltsin für eine Nebelkammer, die mit einem sehr starken Elektromagneten verbunden war. Anderson erhielt auch Spuren geladener Teilchen, die sich äußerlich nicht von den Spuren von Elektronen unterschieden, sondern in die entgegengesetzte Richtung gebogen waren. Zunächst führte er sie auf Elektronen zurück, die sich nicht von oben nach unten, sondern von unten nach oben bewegen. Zur Kontrolle installierte er in der Mitte der Kammer eine 6 mm dicke Bleiplatte. Es stellte sich heraus, dass oberhalb der Platte die Beträge der Impulse von Teilchen mit elektronenartigen Spuren mehr als doppelt so hoch sind wie im unteren Teil der Kammer – daraus folgt, dass sich alle Teilchen von oben nach unten bewegen. Dieselbe Technik bewies, dass Teilchen mit anomaler Verdrillung keine Protonen sein können – sie würden in einem Bleischild stecken bleiben.
Am Ende kam Anderson zu dem Schluss, dass fast alle anomalen Spuren zu einer Art Lichtteilchen mit positiver Ladung gehören. Milliken glaubte dies jedoch nicht, und Anderson wollte nicht ohne Zustimmung seines Chefs in der wissenschaftlichen Presse veröffentlichen. Daher beschränkte er sich auf einen kurzen Brief an die populäre Zeitschrift Science News Letter und fügte ein Foto der anomalen Spur hinzu. Der Herausgeber, der Andersons Interpretation zustimmte, schlug vor, das neue Teilchen das Positron zu nennen. Dieses Foto wurde im Dezember 1931 veröffentlicht.
Erinnern wir uns jetzt daran, dass Dirac bereits im September die Hypothese über die Existenz des Antielektrons aufgestellt hat. Sowohl Anderson als auch Millikan wussten jedoch fast nichts über seine Theorie und verstanden kaum ihre Essenz. Daher kam Anderson nicht auf die Idee, das Positron mit dem Dirac-Antielektron zu identifizieren. Lange versuchte er, Millikan davon zu überzeugen, dass er Recht hatte, aber nachdem er keinen Erfolg hatte, veröffentlichte er im September 1932 eine Notiz in der Zeitschrift Science über seine Beobachtungen. Allerdings sprechen wir in dieser Arbeit immer noch nicht von einem Elektronenzwilling, sondern nur von einem positiv geladenen Teilchen unbekannter Art, dessen Masse viel geringer ist als die Masse eines Protons.
Der nächste Schritt zur Identifizierung des Antielektrons wurde am Ort seiner Vorhersage gemacht - in Cambridge. Der englische Physiker Patrick Blackett und sein italienischer Kollege Giuseppe Occhialini beschäftigten sich im berühmten Cavendish Laboratory unter der Leitung des großen Rutherford mit der Erforschung der kosmischen Strahlung. Okchialini schlug vor, die Nebelkammer mit einer elektronischen Sch altung (erfunden von seinem Landsmann Bruno Rossi) auszustatten, die die Kammer bei gleichzeitigem Betrieb von Geigerzählern einsch altet, von denen einer über der Kammer und der andere darunter installiert war. Bis Herbst 1932 erhielten die Partner etwa 700 Fotografien von Spuren, die geladenen Teilchen kosmischen Ursprungs zugeordnet werden konnten. Darunter waren auch V-förmige Bahnpaare, die von Elektronen und Positronen erzeugt werden, die in einem Magnetfeld auseinanderlaufen.
Blackett wusste von dem von Dirac vorhergesagten Anti-Elektron, nahm seine Theorie aber nicht ernst. Auch Dirac selbst hat sein hypothetisches Teilchen in Blacketts Fotografien nicht gesehen. Infolgedessen haben Blackett und Occhialini ihre Fotografien erst später richtig interpretiert, als sie Andersons September-Veröffentlichung lasen. Sie stellten ihre Ergebnisse in einem Artikel mit dem bescheidenen Titel „Photographs of Penetrating Radiation Tracks“vor, der am 7. Februar 1933 die Herausgeber der Proceedings of the Royal Society erreichte. Zu diesem Zeitpunkt war Anderson auf die Cavendish-Konkurrenten aufmerksam geworden und präsentierte seine Ergebnisse ziemlich angemessen in einem vierseitigen Artikel, "The Positive Electron", der am 28. Februar in Physical Review erschien. Da Andersons Priorität durch frühere Veröffentlichungen festgelegt wurde, erhielt er allein den Nobelpreis für die Entdeckung des Positrons (1936 zusammen mit dem Entdecker der kosmischen Strahlung, Victor Hess). Blackett wurde diese Auszeichnung 12 Jahre später verliehen (mit dem Wortlaut "Für die Verbesserung der Beobachtungsmethoden in Nebelkammern und für Entdeckungen auf dem Gebiet der Kernphysik und der kosmischen Strahlung"), aber Occhialini wurde umgangen - vermutlich aus politischen Gründen.
Bald ging die Positronenforschung sprunghaft voran. Der Pariser Physiker Jean Thibault beobachtete Elektron-Positron-Paare terrestrischen Ursprungs, die durch die Abbremsung von Gammaquanten in Blei aus einer radioaktiven Quelle erzeugt wurden. Er bewies, dass für beide Teilchen das Verhältnis von Ladung zu Masse im absoluten Wert mit sehr hoher Genauigkeit übereinstimmt. 1934 entdeckten Frédéric Joliot und Irene Curie, dass Positronen auch beim radioaktiven Zerfall entstehen. So war Mitte der 1930er Jahre die von Dirac vorhergesagte Existenz von Antielektronen eine etablierte Tatsache geworden.
Antinukleone
Der Mechanismus zur Erzeugung von Positronen durch kosmische Strahlung wurde vor langer Zeit etabliert. Der größte Teil der primären kosmischen Strahlung besteht aus Protonen mit einer Energie von mehr als 1 GeV, die bei Kollision mit Atomkernen in der oberen Atmosphäre Pionen und andere instabile Teilchen entstehen lassen. Pionen verursachen neue Zerfälle, bei denen Gammaquanten entstehen, die bei ihrer Verlangsamung in Materie Elektron-Positron-Paare erzeugen.
Ausreichend schnelle Protonen können beim Stoß mit Atomkernen direkt Antiprotonen und Antineutronen erzeugen. Mitte des 20. Jahrhunderts zweifelten Physiker nicht mehr an der Möglichkeit solcher Transformationen und suchten ihre Spuren in sekundären kosmischen Strahlen. Die Ergebnisse einiger Beobachtungen könnten als Annihilation von Antiprotonen interpretiert werden, jedoch ohne vollständige Gewissheit. Daher schlugen amerikanische Physiker ein Projekt zum Bau eines 6-GeV-Protonenbeschleunigers vor, auf dem es der Theorie zufolge möglich war, beide Arten von Antinukleonen zu erh alten. Diese Maschine namens Bevatron wurde 1954 am Lawrence Berkeley Laboratory gestartet. Ein Jahr später erhielten Owen Chamberlain, Emilio Segre und ihre Kollegen Antiprotonen, indem sie Protonen auf ein Kupfertarget feuerten. Ein Jahr später registrierte eine andere Gruppe von Physikern an derselben Einrichtung Antineutronen. 1965 wurden am CERN und am Brookhaven National Laboratory Antideuteriumkerne synthetisiert, die aus einem Antiproton und einem Antineutron bestehen. Und Anfang der 1970er Jahre kam eine Nachricht aus der UdSSR, dass Antihelium-3-Kerne (zwei Antiprotonen und ein Antineutron) und Antitritium (ein Antiproton und zwei Antineutronen) am 70-GeV-Protonenbeschleuniger des Instituts für Hochenergiephysik synthetisiert worden seien; 2002 wurden auch mehrere leichte Antiheliumkerne am CERN erh alten. Die Dinge haben sich nicht weiter entwickelt, sodass die Synthese mindestens eines Antigoldkerns in nicht allzu ferner Zukunft liegt.
Menschengemachte Antimaterie
Kerne sind Kerne, aber echte Antimaterie benötigt vollwertige Atome. Das einfachste davon ist ein Antiwasserstoffatom, ein Antiproton plus ein Positron. Solche Atome wurden erstmals 1995 am CERN erzeugt, 40 Jahre nach der Entdeckung des Antiprotons. Es ist durchaus möglich, dass dies die ersten Antiwasserstoffatome während der Existenz unseres Universums nach dem Urknall waren - unter natürlichen Bedingungen ist die Wahrscheinlichkeit ihrer Geburt fast null, und die Existenz außerirdischer technologischer Zivilisationen ist immer noch fraglich.
Dieses Experiment wurde unter der Leitung des deutschen Physikers W alter Ohlert durchgeführt. Am CERN war damals der LEAR-Speicherring in Betrieb, in dem niederenergetische (nur 5,9 MeV) Antiprotonen gespeichert wurden (funktionierte von 1984 bis 1996). In einem Experiment von Ohlerts Gruppe wurden Antiprotonen auf einen Xenonstrahl gerichtet. Nach der Kollision von Antiprotonen mit den Kernen dieses Gases entstanden Elektron-Positron-Paare und einige Positronen äußerst selten (mit einer Häufigkeit von 10–17%!) Kombiniert mit Antiprotonen zu Antiwasserstoffatomen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Ungeladene Antiatome konnten sich innerhalb des Rings nicht mehr drehen und flogen auf die beiden Detektoren zu. Im ersten Gerät wurde jedes Antiatom ionisiert und das freigesetzte Positron mit einem Elektron vernichtet, wodurch ein Paar Gammaquanten entstand. Das Antiproton ging zum zweiten Detektor, der Zeit hatte, seine Ladung und Geschwindigkeit zu bestimmen, bevor dieses Teilchen verschwand. Ein Vergleich der Daten beider Detektoren zeigte, dass im Experiment mindestens 9 Antiwasserstoffatome synthetisiert wurden. Bald wurden am Fermilab auch relativistische Antiwasserstoffatome erzeugt.
Seit Sommer 2000 arbeitet am CERN ein neuer AD-Ring (Antiproton Decelerator). Es erhält Antiprotonen mit einer kinetischen Energie von 3,5 GeV, die auf eine Energie von 100 MeV abgebremst und dann in verschiedenen Experimenten genutzt werden. Antimaterie wurde dort von den ATHENA- und ATRAP-Gruppen aufgenommen, die 2002 damit begannen, gleichzeitig Zehntausende von Antiwasserstoffatomen zu produzieren. Diese Atome entstehen in speziellen elektromagnetischen Flaschen (den sogenannten Penning-Fallen), in denen Antiprotonen aus AD und Positronen, die beim Zerfall von Natrium-22 entstehen, gemischt werden. Die Lebensdauer neutraler Antiatome in einer solchen Falle wird zwar in Mikrosekunden gemessen (aber Positronen und Antiprotonen können dort monatelang gespeichert werden!). Technologien zur längeren Speicherung von Antiwasserstoff werden derzeit entwickelt.
In einem Gespräch mit PM, dem Leiter der ATRAP-Gruppe (das ATHENA-Projekt ist bereits abgeschlossen), betonte Professor der Harvard University Gerald Gabriels, dass die AD-Anlage im Gegensatz zu LEAR die Synthese von relativ langsamen (as Physiker sagen, k alte) Antiwasserstoffatome, mit denen man viel einfacher arbeiten kann. Jetzt versuchen Wissenschaftler, Antiatome noch stärker abzukühlen und ihre Positronen auf niedrigere Energieniveaus zu überführen. Gelingt dies, lassen sich Antiatome länger in Kraftfallen h alten und ihre physikalischen Eigenschaften (zum Beispiel spektrale Eigenschaften) bestimmen. Diese Indikatoren können mit den Eigenschaften von gewöhnlichem Wasserstoff verglichen werden und schließlich verstehen, wie sich Antimaterie von Materie unterscheidet. Noch ist kein Ende der Arbeit.
