21:33 22 November 2017
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    Geheimnisse des Universums: Warum Antimaterie unsere Erde noch nicht vernichtet hat

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    Objekte im Weltall – Galaxien, Sterne, Quasare, Planeten, Supernovae, Tiere und Menschen bestehen aus Materie. Diese besteht ihrerseits aus verschiedenen elementaren Teilchen – Quarks, Leptonen, Bosonen.

    Aber es hat sich herausgestellt, dass es auch Teilchen gibt, in denen ein Teil der Eigenschaften mit denen von „Originalen“ völlig übereinstimmen, ein anderer Teil aber entgegengesetzte Eigenschaften hat. Wissenschaftler nennen das „Antimaterie“.

    Es wurde auch klar, dass sich diese geheimnisvolle Substanz viel schwerer erforschen lässt als einfach feststellen lässt. In der Natur wurden noch nie Teilchen der Antimaterie-Teilchen in einem stabilenm Zustand entdeckt. Das Problem ist, dass die Materie und die Antimaterie einander bei einem Kontakt einander vernichten. In Laboren lässt sich diese Erscheinung durchaus beobachten – auch wenn es sehr schwer ist, diesen Zustand zu fixieren. Bislang gelang das den Wissenschaftlern für höchstens für ein paar Minuten.

    Theoretisch sollte der Urknall eine gleiche Zahl von Teilchen und Antiteilchen entstehen lassenerzeugt haben. Aber wenn die Materie und die Antimaterie einander vernichten, bedeutet das, dass sie gleichzeitig verschwinden müssten. Aber Nur wenn das so ist, warum bleibt das Universum immer noch bestehen?

    „Vor mehr als 60 Jahren hieß es in der Theorie, dass alle Eigenschaften der Antiteilchen mit den Eigenschaften der üblichen Teilchen übereinstimmen – aber nur mit dem entgegengesetztem VorGegenzeichen.  Doch Anfang der 1960er- Jahre wurde herausgefunden, dass diese Symmetrie bei einigen Prozessen nicht besteht. Seit dieser Zeit wurden viele theoretische Modelle formuliert, es wurden Dutzende Experimenten durchgeführt, um dieses Phänomen zu erklären. Jetzt sind vor allem Theorien entwickeltentstanden, die die Unterschiede in der Menge der Materie und Antimaterie mit der so genannten Verletzung der CR-Symmetrie (Charge-Parity) verbinden“, erläuterte Alexej Schemtschugow, Dozent des am Lehrstuhls für fundamentale und angewandte Probleme der Mikrowelt-Physik bei der Moskauer Hochschule für Physik und Technik. „Aber eine eindeutige Antwort auf die Frage, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt, wurde noch nicht gefunden.“

    Die Geschichte der Antimaterie begann mit der Gleichung der Elektronenbewegung, die Lösungen hatte, bei denen die Elektronen eine negative Energie hatten. Da die Forscher keinen Sinn in der negativen Energie sahen, haben „erfanden“ sie das Elektron mit positiver Energie „erfunden“,, das den Namen „Positron“ bekam.

    Dieses wurde zum ersten experimentell entdeckten Antiteilchen. Eine Anlage, die Weltraumstrahlungen registrierende Anlage t, zeigte, dass die Flugbahn einiger Teilchen im Magnetfeld der Flugbahn der Elektronen ähnlich ist – allerdings wichen sie in die Gegenrichtung ab. Später wurden auch das Paar Meson-Antimeson,  sowie Antiprotonen und Antineuronen entdeckt. Und schließlich synthetisierten die Forscher der Antiwasserstoff sowie den Kern des Antiheliums.

    Was bedeutet aber dieses „Anti“-Präfix? Normalerweise wird es verwendet, um die gegenseitige gegenteilige Bedeutung zu unterstreichen. Was die Antimaterie angeht, so lassen sich dazu Analoge von elementaren Teilchen zählen, die die entgegengesetzte Ladung, den entgegengesetzten Moment und einige andere entgegengesetzte Charakteristikena haben. Natürlich können sich nicht alle Eigenschaften eines Teilchens in entgegengesetzte verwandeln. So bleiben die Masse und die Lebenszeit immer positiv, und wenn man sich daran orientiert, kann man Teilchen zu einer Kategorie zählen (beispielsweise zu Protonen oder Neutronen).

    Bei Proton und Antiproton sind einige Eigenschaften gleich: Beide haben beispielsweise eine Masse von 938.2719(98) Megaelektronvolt und einen Spin (Eigendrehimpuls) von ½. Aber die elektrische Ladung des Protons beträgt 1, und beim Antiproton liegt sie bei —1, und die Baryonenzahl (die die Zahl von stark zusammenwirkenden Teilchen, die aus drei Quarks bestehen, bestimmt) beträgt jeweils 1 und —1.

    Einige Teilchen, beispielsweise das Higgs-Boson und das Photon, haben keine Anti-Analoge und gelten als wirklich neutrale Teilchen.

    Die meisten Antiteilchen entstehen samt Teilchen während des Prozesses, der als „Entstehung von Paaren“ bekannt ist. Dafür ist eine große Energie, d.h. eine riesige Geschwindigkeit nötig. In der Natur entstehen Antiteilchen bei Kollisionen von Weltraumstrahlen mit der irdischen Atmosphäre, innerhalb von massiven Sternen, in der Nähe von Pulsaren und aktiven Galaxienkernen. Forscher nutzen zu diesem Zweck Collider.

    Die Erforschung der Antimaterie hat eine praktische Bedeutung. Denn die Annihilation der Materie und Antimaterie löst die Entstehung von hochenergetischen Photonen aus. Wenn man beispielsweise eine Dose mit Protonen und Antiprotonen nimmt und sie allmählich, Stück für Stück, in einem Rohr einander entgegeneinander auslässt, wird bei der Annihilierung eines Kilogramms der Antimaterie genauso viel Energie ausgestoßen wie bei der Verbrennung von 30 Millionen Barrel Öl. 140 Nanogramm Antiprotone würden für einen Mars-Flug durchaus genügen. Das Problem ist aber, dass für die Produktion und Aufrechterhaltung der Antimaterie noch mehr Energie nötig ist.

    Allerdings wird Antimaterie bereits praktisch verwendet, beispielsweise in der Medizin. Mithilfe der Positronen-Emissions-Tomographie werden Krebs, Herz- und neurologische Erkrankungen diagnostiziert. Diese Methode stützt sich auf die Entsendung der zerfallenden und Positronen auslassenden Materie in ein bestimmtes Organ. Als „Beförderungsmittel“ kann zum Beispiel ein Stoff dienen, der sich gut an Krebszellen gut bindet. Im jeweiligen Bereich entsteht eine erhöhte Konzentration von radioaktiven Isotopen und dementsprechend Positronen (nach deren Zerfall). Die Positronen annihilieren sofort mit den Elektronen. Und den Punkt der Annihilation können wir durchaus durch die Registrierung von Gammaquanten feststellen. Damit kann durch die Positronen-Emissions-Tomographie eine erhöhte Konzentration des als „Beförderungsmittel“ dienenden Stoffs iam bestimmten Ort entdeckt werden.

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    Tags:
    Planeten, Antimaterie, Universum, Weltraum, Erde, Mars
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