Antimaterie

Eine Nebelkammeraufnahme des ersten beobachteten Positrons, 2. August 1932. ⓘ

In der modernen Physik wird Antimaterie als Materie definiert, die aus den Antiteilchen (oder "Partnern") der entsprechenden Teilchen der "normalen" Materie besteht. Winzige Mengen von Antiteilchen werden täglich in Teilchenbeschleunigern erzeugt - die gesamte künstliche Produktion liegt bei nur wenigen Nanogramm - und in natürlichen Prozessen wie Kollisionen mit kosmischen Strahlen und einigen Arten von radioaktivem Zerfall, aber nur ein winziger Bruchteil davon konnte in Experimenten erfolgreich zu Antiatomen zusammengefügt werden. Aufgrund der extremen Kosten und Schwierigkeiten bei der Herstellung und Handhabung wurde noch nie eine makroskopische Menge an Antimaterie hergestellt. ⓘ

Theoretisch haben ein Teilchen und sein Antiteilchen (z. B. ein Proton und ein Antiproton) die gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung und andere Unterschiede in den Quantenzahlen. ⓘ

Eine Kollision zwischen einem Teilchen und seinem Antiteilchenpartner führt zu ihrer gegenseitigen Annihilation, wobei unterschiedlich intensive Photonen (Gammastrahlen), Neutrinos und manchmal weniger massive Teilchen-Antiteilchen-Paare entstehen. Der größte Teil der Gesamtenergie der Annihilation wird in Form von ionisierender Strahlung freigesetzt. Wenn Materie in der Umgebung vorhanden ist, wird der Energiegehalt dieser Strahlung absorbiert und in andere Energieformen wie Wärme oder Licht umgewandelt. Die freigesetzte Energiemenge ist in der Regel proportional zur Gesamtmasse der kollidierten Materie und Antimaterie, entsprechend der bekannten Masse-Energie-Äquivalenz-Gleichung E=mc². ⓘ

Antimaterie-Teilchen verbinden sich miteinander, um Antimaterie zu bilden, so wie sich gewöhnliche Teilchen zu normaler Materie verbinden. So können beispielsweise ein Positron (das Antiteilchen des Elektrons) und ein Antiproton (das Antiteilchen des Protons) ein Antiwasserstoffatom bilden. Die Kerne von Antihelium wurden, wenn auch unter Schwierigkeiten, künstlich hergestellt und sind die komplexesten Antikerne, die bisher beobachtet wurden. Physikalische Prinzipien weisen darauf hin, dass komplexe Antimaterie-Atomkerne möglich sind, ebenso wie Anti-Atome, die den bekannten chemischen Elementen entsprechen. ⓘ

Es gibt starke Hinweise darauf, dass das beobachtbare Universum fast ausschließlich aus gewöhnlicher Materie besteht, während Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen vorhanden sind. Diese Asymmetrie von Materie und Antimaterie im sichtbaren Universum ist eines der großen ungelösten Probleme der Physik. Der Prozess, durch den diese Ungleichheit zwischen Materie- und Antimaterieteilchen entstanden ist, wird Baryogenese genannt. ⓘ

Anti-Atome und -Moleküle sind in der Natur unbekannt und können nur in aufwendigen Experimenten hergestellt werden. Dagegen entstehen leichte Antiteilchen in der Natur aus der Höhenstrahlung und beim Beta-Plus-Zerfall. Es gibt auch kurzlebige exotische Atome, wie das Positronium aus einem Elektron und einem Positron, sowie Moleküle, wie Di-Positronium aus zwei Positroniumatomen. ⓘ

Antiteilchen und auch Anti-Atome können in Paarbildungsreaktionen mittels Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Mit kleinerem Aufwand können Positronen durch Herstellung beta-plus-aktiver Radionuklide gewonnen werden. Diese Positronenstrahlung ermöglicht in der modernen Medizintechnik das wichtige bildgebende Echtzeit-Verfahren der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). ⓘ

Wenn ein Materieteilchen und sein Antiteilchen aufeinander treffen, können sie in einer Annihilations-Reaktion „zerstrahlen“. Dabei tritt die gesamte in den Teilchen steckende Energie in anderer Form wieder auf, und u. U. können andere Teilchen entstehen. ⓘ

Definitionen

Antimaterieteilchen können durch ihre negative Baryon- oder Leptonenzahl definiert werden, während "normale" (nicht antimaterielle) Materieteilchen eine positive Baryon- oder Leptonenzahl haben. Diese beiden Klassen von Teilchen sind die Antiteilchenpartner des jeweils anderen. Ein "Positron" ist das antimaterielle Äquivalent des "Elektrons". ⓘ

Der französische Begriff contra-terrene führte zu dem Initialismus "C.T." und dem Science-Fiction-Begriff "Seetee", wie er in Romanen wie Seetee Ship verwendet wird. ⓘ

Begriffsgeschichte

Die Idee der negativen Materie taucht in früheren Theorien über die Materie auf, die inzwischen aufgegeben worden sind. Unter Verwendung der einst populären Wirbeltheorie der Schwerkraft wurde die Möglichkeit von Materie mit negativer Schwerkraft von William Hicks in den 1880er Jahren diskutiert. Zwischen den 1880er und 1890er Jahren schlug Karl Pearson die Existenz von "Spritzern" und Senken des Ätherstroms vor. Die Spritzer stellten normale Materie und die Senken negative Materie dar. Pearsons Theorie erforderte eine vierte Dimension, aus der und in die der Äther fließen konnte. ⓘ

Der Begriff Antimaterie wurde erstmals von Arthur Schuster in zwei eher skurrilen Briefen an Nature im Jahr 1898 verwendet, in denen er den Begriff prägte. Er stellte Hypothesen über Antiatome und ganze Antimaterie-Sonnensysteme auf und erörterte die Möglichkeit, dass sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichten. Schusters Ideen waren keine ernstzunehmenden theoretischen Vorschläge, sondern lediglich Spekulationen, und wie die vorherigen Ideen unterschieden sie sich vom modernen Konzept der Antimaterie dadurch, dass sie eine negative Schwerkraft besaßen. ⓘ

Die moderne Theorie der Antimaterie begann im Jahr 1928 mit einem Aufsatz von Paul Dirac. Dirac erkannte, dass seine relativistische Version der Schrödinger-Wellengleichung für Elektronen die Möglichkeit von Antielektronen voraussagte. Diese wurden 1932 von Carl D. Anderson entdeckt und Positronen genannt, abgeleitet von "positives Elektron". Obwohl Dirac den Begriff Antimaterie nicht selbst verwendet hat, folgt seine Verwendung auf natürliche Weise aus Antielektronen, Antiprotonen usw. Ein vollständiges Periodensystem der Antimaterie wurde 1929 von Charles Janet entworfen. ⓘ

Die Feynman-Stueckelberg-Interpretation besagt, dass Antimaterie und Antiteilchen reguläre Teilchen sind, die sich in der Zeit rückwärts bewegen. ⓘ

Schreibweise

Eine Möglichkeit, ein Antiteilchen zu bezeichnen, besteht darin, einen Balken über das Symbol des Teilchens zu setzen. Das Proton und das Antiproton werden zum Beispiel wie folgt bezeichnet
p
und
p
bezeichnet. Die gleiche Regel gilt, wenn man ein Teilchen mit seinen Bestandteilen ansprechen möchte. Ein Proton setzt sich zusammen aus
u

u

d
Quarks, ein Antiproton muss also aus
u

u

d
Antiquarks bestehen. Eine weitere Konvention ist die Unterscheidung der Teilchen nach positiver und negativer elektrischer Ladung. So werden das Elektron und das Positron einfach bezeichnet als
e-
und
e⁺
bezeichnet. Um Verwechslungen zu vermeiden, werden die beiden Konventionen jedoch nie vermischt. ⓘ

Eigenschaften

Theoretische Antigravitationseigenschaften von Antimaterie werden derzeit im AEGIS-Experiment am CERN getestet. Wenn Antimaterie mit Materie in Berührung kommt, vernichtet sie beide und hinterlässt reine Energie. Die möglichen Gravitationseffekte zwischen Materie und Antimaterie sowie zwischen Antimaterie und Antimaterie müssen untersucht werden. Die Forschung ist jedoch schwierig, wenn man bedenkt, dass sich die beiden Teile beim Zusammentreffen vernichten und dass es derzeit schwierig ist, Antimaterie einzufangen und einzuschließen. ⓘ

Es gibt zwingende theoretische Gründe für die Annahme, dass abgesehen von der Tatsache, dass Antiteilchen alle Ladungen (z. B. elektrische und baryonische Ladungen) mit unterschiedlichen Vorzeichen versehen sind, Materie und Antimaterie genau die gleichen Eigenschaften haben. Das bedeutet, dass ein Teilchen und sein entsprechendes Antiteilchen identische Massen und Zerfallszeiten haben müssen (falls sie instabil sind). Das bedeutet auch, dass beispielsweise ein Stern, der aus Antimaterie besteht (ein "Antistar"), genauso leuchtet wie ein gewöhnlicher Stern. Diese Idee wurde 2016 mit dem ALPHA-Experiment experimentell getestet, bei dem der Übergang zwischen den beiden niedrigsten Energiezuständen von Antiwasserstoff gemessen wurde. Die Ergebnisse, die mit denen von Wasserstoff identisch sind, bestätigten die Gültigkeit der Quantenmechanik für Antimaterie. ⓘ

Ursprung und Asymmetrie

Täglich gibt es etwa 500 Gammastrahlenblitze auf der Erde. Die roten Punkte zeigen die Blitze, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope im Jahr 2010 entdeckt hat. Die blauen Bereiche zeigen an, wo potenzielle Blitze für terrestrische Gammastrahlenblitze auftreten können.

Ein Video, das zeigt, wie Wissenschaftler mit dem Gammastrahlendetektor des Fermi Gamma-ray Space Telescope Ausbrüche von Antimaterie aus Gewitterstürmen aufspüren ⓘ

Die meiste Materie, die von der Erde aus beobachtet werden kann, scheint eher aus Materie als aus Antimaterie zu bestehen. Gäbe es Regionen im Weltraum, in denen Antimaterie vorherrscht, könnten die Gammastrahlen, die bei Vernichtungsreaktionen an der Grenze zwischen Materie- und Antimaterie-Regionen entstehen, nachgewiesen werden. ⓘ

Antiteilchen entstehen überall im Universum, wo es zu hochenergetischen Teilchenkollisionen kommt. Hochenergetische kosmische Strahlung, die auf die Erdatmosphäre (oder andere Materie im Sonnensystem) trifft, erzeugt in den dabei entstehenden Teilchenstrahlen winzige Mengen von Antiteilchen, die bei Kontakt mit nahe gelegener Materie sofort vernichtet werden. In ähnlicher Weise können sie auch in Regionen wie dem Zentrum der Milchstraße und anderen Galaxien entstehen, wo sehr energiereiche Himmelsereignisse stattfinden (vor allem die Wechselwirkung relativistischer Jets mit dem interstellaren Medium). Das Vorhandensein der dabei entstehenden Antimaterie lässt sich durch die beiden Gammastrahlen nachweisen, die jedes Mal erzeugt werden, wenn Positronen mit nahe gelegener Materie vernichtet werden. Die Frequenz und die Wellenlänge der Gammastrahlen zeigen, dass jede von ihnen eine Energie von 511 keV hat (das entspricht der Ruhemasse eines Elektrons multipliziert mit c²). ⓘ

Beobachtungen des INTEGRAL-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation könnten den Ursprung einer riesigen Antimateriewolke erklären, die das galaktische Zentrum umgibt. Die Beobachtungen zeigen, dass die Wolke asymmetrisch ist und dem Muster von Röntgendoppelsternen (Doppelsternsysteme mit schwarzen Löchern oder Neutronensternen) entspricht, die sich hauptsächlich auf einer Seite des galaktischen Zentrums befinden. Der Mechanismus ist zwar noch nicht vollständig geklärt, aber wahrscheinlich handelt es sich um die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren, wenn gewöhnliche Materie beim Sturz in einen Sternüberrest an kinetischer Energie gewinnt. ⓘ

Antimaterie kann in relativ großen Mengen in weit entfernten Galaxien vorhanden sein, was auf die kosmische Inflation in der Urzeit des Universums zurückzuführen ist. Falls es Antimaterie-Galaxien gibt, ist davon auszugehen, dass sie dieselbe Chemie sowie dieselben Absorptions- und Emissionsspektren aufweisen wie Galaxien mit normaler Materie, und ihre astronomischen Objekte wären aus Beobachtungsgründen identisch, so dass sie schwer zu unterscheiden sind. Die NASA versucht herauszufinden, ob solche Galaxien existieren, indem sie nach Röntgen- und Gammastrahlen-Signaturen von Annihilationsereignissen in kollidierenden Superhaufen sucht. ⓘ

Im Oktober 2017 meldeten Wissenschaftler, die am BASE-Experiment am CERN arbeiten, eine Messung des magnetischen Moments von Antiprotonen mit einer Genauigkeit von 1,5 Teilen pro Milliarde. Sie stimmt mit der genauesten Messung des magnetischen Moments des Protons überein (ebenfalls von BASE im Jahr 2014 durchgeführt), was die Hypothese der CPT-Symmetrie unterstützt. Diese Messung ist das erste Mal, dass eine Eigenschaft von Antimaterie genauer bekannt ist als die entsprechende Eigenschaft in Materie. ⓘ

Die Antimaterie-Quanteninterferometrie wurde erstmals im L-NESS-Labor von R. Ferragut in Como (Italien) von einer Gruppe unter Leitung von M. Giammarchi demonstriert. ⓘ

Natürliche Erzeugung

Positronen entstehen auf natürliche Weise bei β⁺-Zerfällen natürlich vorkommender radioaktiver Isotope (z. B. Kalium-40) und bei Wechselwirkungen von Gammaquanten (die von radioaktiven Kernen ausgesandt werden) mit Materie. Antineutrinos sind eine weitere Art von Antiteilchen, die durch natürliche Radioaktivität (β-Zerfall) entstehen. Viele verschiedene Arten von Antiteilchen werden auch durch kosmische Strahlung erzeugt (und sind darin enthalten). Im Januar 2011 entdeckten Forscher der American Astronomical Society Antimaterie (Positronen), die über Gewitterwolken entstehen; Positronen werden in irdischen Gammastrahlenblitzen erzeugt, die von Elektronen erzeugt werden, die durch starke elektrische Felder in den Wolken beschleunigt werden. Antiprotonen wurden auch im Van-Allen-Gürtel um die Erde mit dem PAMELA-Modul nachgewiesen. ⓘ

Antiteilchen werden auch in jeder Umgebung mit einer ausreichend hohen Temperatur erzeugt (mittlere Teilchenenergie größer als die Schwelle für die Paarbildung). Es wird angenommen, dass in der Zeit der Baryogenese, als das Universum extrem heiß und dicht war, ständig Materie und Antimaterie erzeugt und vernichtet wurden. Das Vorhandensein von verbliebener Materie und das Fehlen nachweisbarer verbliebener Antimaterie wird als Baryonen-Asymmetrie bezeichnet. Der genaue Mechanismus, der diese Asymmetrie während der Baryogenese erzeugt hat, ist nach wie vor ein ungelöstes Problem. Eine der notwendigen Bedingungen für diese Asymmetrie ist die Verletzung der CP-Symmetrie, die experimentell bei der schwachen Wechselwirkung beobachtet wurde. ⓘ

Jüngste Beobachtungen deuten darauf hin, dass Schwarze Löcher und Neutronensterne über die Jets große Mengen an Positron-Elektron-Plasma erzeugen. ⓘ

Beobachtung in der kosmischen Strahlung

In Satellitenexperimenten wurden Positronen und einige Antiprotonen in der primären kosmischen Strahlung nachgewiesen, die weniger als 1 % der Teilchen in der primären kosmischen Strahlung ausmachen. Diese Antimaterie kann nicht alle beim Urknall entstanden sein, sondern es wird angenommen, dass sie durch zyklische Prozesse bei hohen Energien erzeugt wurde. Elektron-Positron-Paare können zum Beispiel in Pulsaren entstehen, wenn ein magnetisierter Neutronenstern in seinem Rotationszyklus Elektron-Positron-Paare von der Sternoberfläche abreißt. Dabei bildet die Antimaterie einen Wind, der auf die Auswürfe der Supernovae des Vorläufers prallt. Diese Verwitterung findet statt, wenn "der kalte, magnetisierte relativistische Wind, der vom Stern ausgestoßen wird, auf das nichtrelativistisch expandierende Ejekta trifft, wobei sich beim Aufprall ein Schockwellensystem bildet: Der äußere Schock breitet sich im Ejekta aus, während sich ein umgekehrter Schock zurück zum Stern ausbreitet." Der Ausstoß von Materie in der äußeren Schockwelle und die Produktion von Antimaterie in der umgekehrten Schockwelle sind Schritte in einem Weltraumwetterzyklus. ⓘ

Vorläufige Ergebnisse des derzeit in Betrieb befindlichen Alpha-Magnetspektrometers (AMS-02) an Bord der Internationalen Raumstation zeigen, dass die Positronen in der kosmischen Strahlung ungerichtet und mit Energien zwischen 10 GeV und 250 GeV ankommen. Im September 2014 wurden neue Ergebnisse mit fast doppelt so vielen Daten in einem Vortrag am CERN vorgestellt und in Physical Review Letters veröffentlicht. Es wurde über eine neue Messung des Positronenanteils bis zu 500 GeV berichtet, die zeigt, dass der Positronenanteil bei einer Energie von 275 ± 32 GeV ein Maximum von etwa 16 % der gesamten Elektron+Positron-Ereignisse erreicht. Bei höheren Energien, bis zu 500 GeV, beginnt das Verhältnis von Positronen zu Elektronen wieder zu fallen. Der absolute Positronenfluss beginnt ebenfalls vor 500 GeV zu sinken, erreicht aber seinen Höhepunkt bei Energien, die weit über den Elektronenenergien liegen, die bei etwa 10 GeV ihren Höhepunkt erreichen. Diese Ergebnisse wurden als Folge der Positronenproduktion bei Annihilationsereignissen massereicher dunkler Materieteilchen interpretiert. ⓘ

Die Antiprotonen der kosmischen Strahlung haben ebenfalls eine viel höhere Energie als ihre Gegenstücke aus normaler Materie (Protonen). Sie erreichen die Erde mit einem charakteristischen Energiemaximum von 2 GeV, was darauf hindeutet, dass sie in einem grundlegend anderen Prozess erzeugt werden als die Protonen der kosmischen Strahlung, die im Durchschnitt nur ein Sechstel der Energie haben. ⓘ

Die Suche nach größeren Antimateriekernen, wie z. B. Antiheliumkernen (d. h. Anti-Alpha-Teilchen), in der kosmischen Strahlung ist im Gange. Der Nachweis von natürlichem Antihelium könnte auf die Existenz großer Antimaterie-Strukturen wie etwa eines Antistars hindeuten. Ein Prototyp des AMS-02 mit der Bezeichnung AMS-01 wurde im Juni 1998 an Bord des Space Shuttle Discovery auf der Mission STS-91 in den Weltraum geflogen. Da AMS-01 überhaupt kein Antihelium nachweisen konnte, wurde eine Obergrenze von 1,1×10-6 für das Verhältnis von Antihelium zu Helium festgelegt. AMS-02 enthüllte im Dezember 2016, dass es inmitten von mehreren Milliarden Heliumkernen einige Signale entdeckt hatte, die mit Antiheliumkernen übereinstimmen. Das Ergebnis muss noch verifiziert werden, und das Team versucht derzeit, eine Kontamination auszuschließen. ⓘ

Künstliche Erzeugung

Positronen

Im November 2008 wurde berichtet, dass das Lawrence Livermore National Laboratory Positronen in größerer Zahl erzeugt hat als mit jedem anderen synthetischen Verfahren zuvor. Ein Laser trieb Elektronen durch die Kerne eines Goldtargets, wodurch die eintreffenden Elektronen Energiequanten aussandten, die sowohl in Materie als auch in Antimaterie zerfielen. Es wurden Positronen in einer höheren Rate und in einer größeren Dichte nachgewiesen als jemals zuvor in einem Labor. Bei früheren Experimenten wurden kleinere Mengen von Positronen mit Hilfe von Lasern und papierdünnen Zielscheiben erzeugt; neuere Simulationen zeigten, dass kurze Ausbrüche von ultraintensiven Lasern und millimeterdickem Gold eine weitaus effektivere Quelle sind. ⓘ

Antiprotonen, Antineutronen und Antinuklei

Die Existenz des Antiprotons wurde 1955 von den Physikern Emilio Segrè und Owen Chamberlain von der University of California, Berkeley, experimentell bestätigt, wofür sie 1959 den Nobelpreis für Physik erhielten. Ein Antiproton besteht aus zwei Up-Antiquarks und einem Down-Antiquark (
u

u

d
). Die gemessenen Eigenschaften des Antiprotons stimmen alle mit den entsprechenden Eigenschaften des Protons überein, mit der Ausnahme, dass das Antiproton die entgegengesetzte elektrische Ladung und das entgegengesetzte magnetische Moment des Protons hat. Kurz darauf, im Jahr 1956, wurde das Antineutron in Proton-Proton-Kollisionen am Bevatron (Lawrence Berkeley National Laboratory) von Bruce Cork und Kollegen entdeckt. ⓘ

Neben Antibaryonen wurden auch Antikerneuronen erzeugt, die aus mehrfach gebundenen Antiprotonen und Antineutronen bestehen. Diese werden in der Regel bei Energien erzeugt, die viel zu hoch sind, um Antimaterie-Atome (mit gebundenen Positronen anstelle von Elektronen) zu bilden. 1965 berichtete eine Forschergruppe unter der Leitung von Antonino Zichichi über die Produktion von Antideuteriumkernen am Protonen-Synchrotron des CERN. Etwa zur gleichen Zeit wurden von einer Gruppe amerikanischer Physiker am Alternating Gradient Synchrotron des Brookhaven National Laboratory Beobachtungen von Antideuterium-Kernen gemeldet. ⓘ

Antiwasserstoff-Atome

Antimaterie-Einrichtungen ⓘ

Niedrigenergie-Antiprotonenring (1982-1996)
Antiprotonen-Akkumulator	Erzeugung von Antiprotonen
Antiprotonen-Kollektor	Abgebremste und gespeicherte Antiprotonen
Antimaterie-Fabrik (2000-heute)
Antiprotonen-Abbremser (AD)	Bremst Antiprotonen ab
Extra-Niedrigenergie-Antiprotonenring (ELENA)	Abbremsung von Antiprotonen, die vom AD empfangen werden

1995 gab das CERN bekannt, dass es durch die Umsetzung des SLAC/Fermilab-Konzepts im Rahmen des PS210-Experiments erfolgreich neun heiße Antiwasserstoffatome erzeugt hat. Das Experiment wurde mit dem Niedrigenergie-Antiprotonenring (LEAR) durchgeführt und von Walter Oelert und Mario Macri geleitet. Das Fermilab bestätigte bald darauf die Erkenntnisse des CERN, indem es etwa 100 Antiwasserstoffatome in seinen Anlagen herstellte. Die bei PS210 und den nachfolgenden Experimenten (sowohl am CERN als auch am Fermilab) erzeugten Antiwasserstoffatome waren extrem energiereich und eigneten sich nicht für Studien. Um diese Hürde zu überwinden und ein besseres Verständnis des Antiwasserstoffs zu erlangen, wurden in den späten 1990er Jahren zwei Kollaborationen gegründet: ATHENA und ATRAP. ⓘ

1999 nahm das CERN den Antiprotonenverzögerer in Betrieb, ein Gerät, das Antiprotonen von 3500 MeV auf 5,3 MeV abbremsen kann - immer noch zu "heiß", um studienwirksamen Antiwasserstoff zu erzeugen, aber ein großer Schritt nach vorn. Ende 2002 gab das ATHENA-Projekt bekannt, dass es den weltweit ersten "kalten" Antiwasserstoff erzeugt hatte. Das ATRAP-Projekt gab kurz darauf ähnliche Ergebnisse bekannt. Die in diesen Experimenten verwendeten Antiprotonen wurden gekühlt, indem sie mit dem Antiprotonenverzögerer abgebremst, durch eine dünne Folie geleitet und schließlich in einer Penning-Malmberg-Falle eingefangen wurden. Der gesamte Abkühlungsprozess ist zwar praktikabel, aber äußerst ineffizient: Etwa 25 Millionen Antiprotonen verlassen den Antiprotonen-Verzögerer und etwa 25.000 schaffen es in die Penning-Malmberg-Falle, was etwa 1/1000 oder 0,1 % der ursprünglichen Menge entspricht. ⓘ

Die Antiprotonen sind beim ersten Einfangen noch heiß. Um sie weiter abzukühlen, werden sie in ein Elektronenplasma gemischt. Die Elektronen in diesem Plasma kühlen sich durch Zyklotronstrahlung ab und kühlen dann die Antiprotonen durch Coulomb-Stöße mit ab. Schließlich werden die Elektronen durch das Anlegen von kurzzeitigen elektrischen Feldern entfernt, so dass die Antiprotonen mit Energien von weniger als 100 meV übrig bleiben. Während die Antiprotonen in der ersten Falle gekühlt werden, wird eine kleine Positronenwolke aus radioaktivem Natrium in einem Positronenakkumulator vom Typ Surko eingefangen. Diese Wolke wird dann in einer zweiten Falle in der Nähe der Antiprotonen wieder eingefangen. Durch Manipulationen an den Fallenelektroden werden die Antiprotonen dann in das Positronenplasma geschleudert, wo sich einige von ihnen mit Antiprotonen zu Antiwasserstoff verbinden. Dieser neutrale Antiwasserstoff wird von den elektrischen und magnetischen Feldern, mit denen die geladenen Positronen und Antiprotonen eingefangen werden, nicht beeinflusst, und innerhalb weniger Mikrosekunden trifft der Antiwasserstoff auf die Fallenwände, wo er vernichtet wird. Auf diese Weise wurden bereits mehrere hundert Millionen Antiwasserstoffatome hergestellt. ⓘ

Im Jahr 2005 löste sich ATHENA auf, und einige der ehemaligen Mitglieder gründeten (zusammen mit anderen) die ALPHA Collaboration, die ebenfalls am CERN angesiedelt ist. Ziel dieses Projekts ist es, die CPT-Symmetrie durch den Vergleich der Atomspektren von Wasserstoff und Antiwasserstoff zu testen (siehe Wasserstoff-Spektralserie). ⓘ

2016 wurde ein neuer Antiprotonenverzögerer und -kühler namens ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator) gebaut. Er nimmt die Antiprotonen aus dem Antiprotonenabbremser und kühlt sie auf 90 keV ab, was "kalt" genug ist, um sie zu untersuchen. Diese Maschine arbeitet mit hoher Energie und beschleunigt die Teilchen in der Kammer. Mehr als hundert Antiprotonen können pro Sekunde eingefangen werden, eine enorme Verbesserung, aber es würde immer noch mehrere tausend Jahre dauern, um ein Nanogramm Antimaterie herzustellen. ⓘ

Die meisten der angestrebten Hochpräzisionstests der Eigenschaften von Antiwasserstoff könnten nur durchgeführt werden, wenn der Antiwasserstoff gefangen wäre, d. h. für eine relativ lange Zeit festgehalten würde. Antiwasserstoffatome sind zwar elektrisch neutral, aber die Spins ihrer Teilchen erzeugen ein magnetisches Moment. Diese magnetischen Momente können mit einem inhomogenen Magnetfeld wechselwirken; einige der Antiwasserstoffatome können von einem magnetischen Minimum angezogen werden. Ein solches Minimum kann durch eine Kombination von Spiegel- und Multipolfeldern erzeugt werden. Antiwasserstoff kann in einem solchen magnetischen Minimum (Minimum-B) gefangen werden. Im November 2010 gab die ALPHA-Kollaboration bekannt, dass sie 38 Antiwasserstoffatome für etwa eine Sechstelsekunde in einer solchen Falle gefangen hatte. Dies war das erste Mal, dass neutrale Antimaterie eingefangen wurde. ⓘ

Am 26. April 2011 gab ALPHA bekannt, dass sie 309 Antiwasserstoff-Atome eingefangen hatten, einige davon für bis zu 1.000 Sekunden (etwa 17 Minuten). Das war länger als neutrale Antimaterie jemals zuvor eingefangen worden war. ALPHA hat diese gefangenen Atome genutzt, um die Erforschung der spektralen Eigenschaften des Antiwasserstoffs einzuleiten. ⓘ

Der größte limitierende Faktor bei der groß angelegten Produktion von Antimaterie ist die Verfügbarkeit von Antiprotonen. Jüngste Angaben des CERN besagen, dass die Anlagen bei voller Betriebsbereitschaft zehn Millionen Antiprotonen pro Minute erzeugen können. Geht man von einer 100%igen Umwandlung von Antiprotonen in Antiwasserstoff aus, würde es 100 Milliarden Jahre dauern, um 1 Gramm oder 1 Mol Antiwasserstoff (etwa 6,02×10²³ Atome Antiwasserstoff) zu produzieren. Das CERN produziert jedoch nur 1 % der Antimaterie, die das Fermilab produziert, und beide sind nicht für die Produktion von Antimaterie ausgelegt. Laut Gerald Jackson sind wir mit der heute bereits verwendeten Technologie in der Lage, 20 Gramm Antimaterie-Teilchen pro Jahr zu produzieren und einzufangen, bei jährlichen Kosten von 670 Millionen Dollar pro Anlage. ⓘ

Antihelium

Antihelium-3-Kerne (³
He
) wurden erstmals in den 1970er Jahren in Proton-Kern-Kollisionsexperimenten am Institut für Hochenergiephysik von der Gruppe von Y. Prockoshkin (Protvino bei Moskau, UdSSR) beobachtet und später in Kern-Kern-Kollisionsexperimenten erzeugt. Kern-Kern-Kollisionen erzeugen Antinuklei durch das Zusammenwachsen von Antiprotonen und Antineutronen, die bei diesen Reaktionen entstehen. Im Jahr 2011 meldete der STAR-Detektor die Beobachtung von künstlich erzeugten Antihelium-4-Kernen (Anti-Alpha-Teilchen) (⁴
He
) aus solchen Kollisionen. ⓘ

Das Alpha-Magnetspektrometer auf der Internationalen Raumstation hat bis zum Jahr 2021 acht Ereignisse aufgezeichnet, die auf den Nachweis von Antihelium-3 hinzuweisen scheinen. ⓘ

Aufbewahrung

Antimaterie kann nicht in einem Behälter aus gewöhnlicher Materie aufbewahrt werden, da Antimaterie mit jeder Materie, mit der sie in Berührung kommt, reagiert und sich selbst und eine gleiche Menge des Behälters vernichtet. Antimaterie in Form von geladenen Teilchen kann durch eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern in einer Vorrichtung, der so genannten Penning-Falle, festgehalten werden. Diese Vorrichtung kann jedoch keine Antimaterie einschließen, die aus ungeladenen Teilchen besteht, wofür Atomfallen verwendet werden. Eine solche Falle kann insbesondere das (elektrische oder magnetische) Dipolmoment der gefangenen Teilchen nutzen. Im Hochvakuum können die Materie- oder Antimaterieteilchen mit Hilfe einer magneto-optischen Falle oder einer Magnetfalle eingefangen und mit leicht de-resonanter Laserstrahlung gekühlt werden. Kleine Teilchen können auch mit einer optischen Pinzette unter Verwendung eines stark fokussierten Laserstrahls aufgehängt werden. ⓘ

Im Jahr 2011 gelang es den Wissenschaftlern des CERN, Antiwasserstoff für etwa 17 Minuten zu konservieren. Der Rekord für die Lagerung von Antiteilchen wird derzeit vom TRAP-Experiment am CERN gehalten: Antiprotonen wurden 405 Tage lang in einer Penning-Falle aufbewahrt. Im Jahr 2018 wurde vorgeschlagen, eine Einschließungstechnologie zu entwickeln, die fortschrittlich genug ist, um eine Milliarde Antiprotonen in einem tragbaren Gerät aufzubewahren, das für weitere Experimente in ein anderes Labor gebracht werden kann. ⓘ

Kosten

Wissenschaftler behaupten, dass Antimaterie das teuerste Material ist, das hergestellt werden kann. Im Jahr 2006 schätzte Gerald Smith, dass mit 250 Millionen Dollar 10 Milligramm Positronen hergestellt werden könnten (was 25 Milliarden Dollar pro Gramm entspricht); 1999 gab die NASA einen Wert von 62,5 Billionen Dollar pro Gramm Antiwasserstoff an. Dies liegt zum einen daran, dass die Produktion schwierig ist (bei Reaktionen in Teilchenbeschleunigern werden nur sehr wenige Antiprotonen erzeugt), und zum anderen daran, dass für andere Verwendungszwecke von Teilchenbeschleunigern eine höhere Nachfrage besteht. Nach Angaben des CERN hat die Herstellung von etwa 1 Milliardstel Gramm (die bisher für Teilchen-Antiteilchen-Kollisionen verwendete Menge) einige hundert Millionen Schweizer Franken gekostet. Im Vergleich dazu wurden die Kosten für die Herstellung der ersten Atomwaffe im Rahmen des Manhattan-Projekts im Jahr 2007 auf 23 Milliarden Dollar (inflationsbereinigt) geschätzt. ⓘ

In mehreren vom NASA Institute for Advanced Concepts finanzierten Studien wird untersucht, ob es möglich sein könnte, die Antimaterie, die natürlicherweise im Van-Allen-Gürtel der Erde und schließlich in den Gürteln von Gasriesen wie dem Jupiter vorkommt, mit magnetischen Schaufeln einzusammeln - hoffentlich zu geringeren Kosten pro Gramm. ⓘ

Verwendet

Medizinische

Materie-Antimaterie-Reaktionen haben praktische Anwendungen in der medizinischen Bildgebung, z. B. bei der Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Beim positiven Betazerfall verliert ein Nuklid überschüssige positive Ladung, indem es ein Positron aussendet (im selben Vorgang wird ein Proton zu einem Neutron, und es wird auch ein Neutrino ausgesandt). Nuklide mit überschüssiger positiver Ladung lassen sich leicht in einem Zyklotron herstellen und werden in großem Umfang für medizinische Zwecke erzeugt. In Laborexperimenten wurde auch gezeigt, dass Antiprotonen das Potenzial haben, bestimmte Krebsarten zu behandeln, ähnlich wie bei der Ionentherapie (Protonen). ⓘ

Brennstoff

Isolierte und gespeicherte Antimaterie könnte als Treibstoff für interplanetare oder interstellare Reisen als Teil eines Antimaterie-katalysierten Kernimpulsantriebs oder einer anderen Antimaterierakete verwendet werden. Da die Energiedichte von Antimaterie höher ist als die herkömmlicher Brennstoffe, hätte ein mit Antimaterie betriebenes Raumschiff ein besseres Verhältnis von Schubkraft zu Gewicht als ein herkömmliches Raumschiff. ⓘ

Wenn Materie-Antimaterie-Kollisionen nur zur Emission von Photonen führen würden, würde die gesamte Ruhemasse der Teilchen in kinetische Energie umgewandelt werden. Die Energie pro Masseneinheit (9×10¹⁶ J/kg) ist etwa 10 Größenordnungen größer als chemische Energien und etwa 3 Größenordnungen größer als die potentielle Kernenergie, die heute durch Kernspaltung freigesetzt werden kann (etwa 200 MeV pro Spaltreaktion oder 8×10¹³ J/kg), und etwa 2 Größenordnungen größer als die bestmöglichen Ergebnisse, die von der Fusion erwartet werden (etwa 6,3×10¹⁴ J/kg für die Proton-Proton-Kette). Die Reaktion von 1 kg Antimaterie mit 1 kg Materie würde 1,8×10¹⁷ J (180 Petajoule) Energie erzeugen (nach der Masse-Energie-Äquivalenzformel E=mc²), was in etwa 43 Megatonnen TNT entspricht - etwas weniger als die Sprengkraft der 27.000 kg schweren Zar-Bombe, der größten jemals gezündeten thermonuklearen Waffe. ⓘ

Aufgrund der Beschaffenheit der Annihilationsprodukte kann nicht die gesamte Energie durch eine realistische Antriebstechnologie genutzt werden. Bei Elektron-Positron-Reaktionen entstehen zwar Gammastrahlenphotonen, diese lassen sich jedoch nur schwer lenken und für den Schub nutzen. Bei Reaktionen zwischen Protonen und Antiprotonen wird deren Energie weitgehend in relativistische neutrale und geladene Pionen umgewandelt. Die neutralen Pionen zerfallen fast sofort (mit einer Lebensdauer von 85 Attosekunden) in hochenergetische Photonen, aber die geladenen Pionen zerfallen langsamer (mit einer Lebensdauer von 26 Nanosekunden) und können magnetisch abgelenkt werden, um Schub zu erzeugen. ⓘ

Geladene Pionen zerfallen schließlich in eine Kombination aus Neutrinos (mit etwa 22 % der Energie der geladenen Pionen) und instabilen geladenen Myonen (mit etwa 78 % der Energie der geladenen Pionen), wobei die Myonen dann in eine Kombination aus Elektronen, Positronen und Neutrinos zerfallen (vgl. Myonenzerfall; die Neutrinos aus diesem Zerfall tragen etwa 2/3 der Energie der Myonen, was bedeutet, dass der Gesamtanteil der Energie der ursprünglich geladenen Pionen, der auf dem einen oder anderen Weg in Neutrinos umgewandelt wird, etwa 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74 beträgt). ⓘ

Waffen

Antimaterie wurde als Auslösemechanismus für Kernwaffen in Betracht gezogen. Ein Haupthindernis ist die Schwierigkeit, Antimaterie in ausreichenden Mengen zu produzieren, und es gibt keinen Beweis dafür, dass dies jemals möglich sein wird. Dennoch finanzierte die US-Luftwaffe während des Kalten Krieges Studien über die Physik der Antimaterie und begann, ihre mögliche Verwendung in Waffen in Betracht zu ziehen, nicht nur als Auslöser, sondern als Sprengstoff selbst. ⓘ

Antimaterie in der Science-Fiction

Antimaterie kommt in vielen Romanen und Filmen vor, wo ihre physikalischen Eigenschaften von den wirklichen abweichen können. In der Welt von Star Trek dient eine Materie-Antimaterie-Reaktion als Energiequelle für den fiktiven Warp-Antrieb zur Erzeugung einer Warpblase und auch als Waffe. In der Heftromanserie Perry Rhodan wird Antimaterie vielfältig benutzt, etwa um Gravitations-Schockwellen abzustrahlen und so eine Nachricht zu übermitteln, vor allem aber als Basis für fortgeschrittene Waffensysteme und zur Energieerzeugung. Im Roman Illuminati von Dan Brown haben fiktive Wissenschaftler des CERN sichtbare Mengen der Substanz hergestellt und längerfristig in einer Magnetfalle gelagert. ⓘ