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Antimaterie

Anfang Februar habe ich in der Telepolis einen Artikel über Antimaterie gelesen: Antimaterie: Mehr als nur Anti. Im ersten Teil des Artikels heißt es:

Zu jedem Teilchen, etwa Proton, Myon oder Elektron, gibt es so genannte Antiteilchen, in diesem Fall Anti-Proton, Anti-Myon oder Positron. Wenn beide sich treffen, zerstrahlen sie zu reiner Energie. Ansonsten unterscheiden sich Teilchen und Antiteilchen auf den ersten und zweiten Blick nicht.

Das ist erstens eines der großen Rätsel der Wissenschaft und zweitens der Grund, dass Sie diesen Artikel überhaupt lesen können. Denn beim Urknall müssten eigentlich gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden sein. Wäre das der Fall, hätte sich das frühe All kurz nach seiner Entstehung in einer gigantischen Annihilation wieder aufgelöst.

Tatsächlich beobachten wir heute ein extremes Übergewicht normaler Materie. Es muss also beim Urknall irgendwie dazu gekommen sein, dass mehr Materie als Antimaterie entstand – dass es irgendwo im All noch ein rein aus Antimaterie bestehende Ecke gibt, können die Astronomen mit großer Sicherheit ausschließen.

Meiner Meinung nach stimmt eigentlich keiner der drei Absätze. Der erste wird bereits in den nächsten Sätzen des Artikels widerlegt. Dort wird auf die sogenannte CP-Verletzung Bezug genommen. Es scheint inzwischen experimentell bestätigt zu sein, dass ein Teilchen nicht das exakte Gegenteil seines Antiteilchens ist. Wenn das so ist, dann sollte das Zusammentreffen eines Teilchens mit seinem Antiteilchen nicht zur vollständigen Zerstrahlung der beiden Teilchen führen.

Ich habe hier sofort an die Wette zwischen Stephen Hawking und Kip Thorne auf der einen Seite und John Preskill auf der anderen Seite über das Informationsparadoxon von Schwarzen Löchern gedacht: Schwarze Löcher sind keine Glatzköpfe, sondern haarige Monster. In Kurzform: Wenn Schwarze Löcher nur durch ihre Masse, ihre Ladung und ihren Drehimpuls gekennzeichnet sind, dann vernichten sie alle anderen Informationen über die Teilchen, die sie verschlucken. Das steht im Widerspruch zur Quantentheorie, demzufolge Informationen niemals vernichtet werden können.

Bei der Annihilation würde etwas Vergleichbares passieren, wenn alle Eigenschaften der beteiligten Teilchen außer der ihrer Gesamtmasse proportionalen Energie vernichtet werden, das entspricht ebenfalls einem enormen Verlust an Informationen.

In den Kommentaren gab es dann einen interessanten Hinweis auf einen vielleicht einfacheren experimentellen Beweis für die Nichtgleichheit von Materie und Antimaterie als die CP-Verletzung:

Die Diskrepanz zwischen Materie und Antimaterie ist schon an einem viel einfacheren Beispiel zu sehen, bei der Paarerzeugung:

Paarerzeugung

Man beachte die Bilder am rechten Rand: hier entsteht gleichzeitig ein Elektron und ein Positron, die durch ein senkrechtes Magnetfeld auf eine Spiralbahn gezwungen werden. Wenn man davon ausgeht, dass beide dieselbe Masse, kinetische Energie und gleichgroße entgegengesetzte Ladung haben, müssten die Spiralen symmetrisch sein. Was sie offensichtlich nicht sind, die Bahn des Elektrons ist im Durchmesser kleiner und hat weniger Windungen. Übrigens nicht nur bei Wikipedia, sämtliche Aufnahmen im Netz zeigen genau das.

Irgendwo müssen die beiden Teilchen also verschieden sein. Um Quarks kann es sich hier nicht handeln, denn Elektron und Positron sind „am Stück“ und bestehen nicht aus Quarks. Habe das Martin Beker auf „Hier wohnen Drachen“ gefragt, er wusste es nicht. Ich soll beim Physikerboard fragen, aber die wussten auch nichts. Warum wird etwas so Offensichtliches übersehen?

Das zugehörige Bild ist wirklich eindrucksvoll:

Mir fiel eine einfache Lösung ein, andere hatten ähnliche Ideen:

Für die unterschiedlichen Bahnen in der Blasenkammer könnte es eine einfache Erklärung geben. Die Teilchen in der Blasenkammer, mit denen das Elektron bzw. das Positron wechselwirken, sind Materie, nicht Antimaterie. Ein Beweis der Asymmetrie würde erfordern, dass man eine Blasenkammer hat, die aus Antimaterie besteht. Wenn es dort keine spiegelbildlich vertauschten Bahnen gibt, wäre das ein Beweis für eine Symmetrieverletzung.

Der zweite und der dritte Absatz aus dem Eingangszitat müssen ebenfalls nicht stimmen: Wenn die Überlegungen mit der Informationserhaltung für jeden beliebigen Zeitpunkt im Universum gelten, dann ist eine Erzeugung des Universums aus Nichts schlecht erklärbar. Wenn man diese Idee aber fallenlässt, dann muss die ungleiche Verteilung von Materie und Antimaterie auch nicht mehr begründet werden. Und wie andererseits Astronomen sicher ausschließen können, dass es anderswo nicht Gebiete gibt, die aus reiner Antimaterie bestehen, erschließt sich mir auch nicht – wissen wir doch nicht einmal, wie groß das Universum eigentlich ist. Wir wissen nur, wie groß es mindestens sein muss – nämlich so groß, dass alle Bereiche, die wir beobachten können, innerhalb liegen.

Der Telepolisartikel von Anfang Februar ist mir in der letzten Woche wieder eingefallen, als ich den folgenden Artikel im Spiegel gelesen habe: Erstmals Kollision von Lichtteilchen beobachtet. Bei der Annihilation von Materie und Antimaterie wird Energie freigesetzt. Üblicherweise sollte das elektromagnetische Strahlung – also Photonen – sein. Da die meisten physikalischen Gesetze zeitinvariant sind, sollte es deshalb auch möglich sein, durch Strahlung wieder Materie und Antimaterie zu erzeugen. So weit, so gut.

Woran ich dabei aber nicht gedacht hatte und was im Artikel erwähnt wird, ist, dass man dadurch (implizit) in Konflikt mit anderen physikalischen Gesetzen gerät. Die Maxwellschen Gesetze beschreiben die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Eine notwendige Voraussetzung dabei ist, dass „unterwegs“ keine Photonen verloren gehen – indem z.B. zwei von ihnen kollidieren und zu Materieteilchen „auskristallisieren“, wie es die Umkehrung der Annihilation erfordern würde.

Der Spiegelartikel beschreibt diesen Vorgang der Umkehrung der Annihilation nicht. So richtig versteht man nach dem Lesen des Textes auch nicht, wie das Experiment durchgeführt wurde und warum man zu den entsprechenden Schlussfolgerungen gekommen ist. Aber wenn ich die Eingangsüberlegungen zu der nicht-spiegelbildlichen Gleichheit von Materie und Antimaterie ernstnehme, dann reicht das pure Zusammentreffen zweier Photonen sowieso nicht, um ein Teilchen und sein Antiteilchen zu verursachen, es muss noch etwas Drittes dazukommen, das den winzigen Unterschied in den Eigenschaften der beiden Teilchen beisteuert.

Bei allen Experimenten zur Erzeugung von Teilchen aus Energie sind stets Materieteilchen verwendet worden, die eine Ruhemasse habe, dann ist das wahrscheinlich implizit immer gegeben. Einen Beleg dafür, dass es einen „Urknall“ geben kann, bei dem „reine“ Energie zur Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen ausreicht, scheint es noch nicht zu geben. Ein solcher Vorgang wird auch durch die Asymmetrien zwischen Materie und Antimaterie meiner Meinung nach unwahrscheinlicher als zuvor.

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