Am Sonntag habe ich euch ein schönes Video über Antimaterie gezeigt. Antimaterie ist eigentlich nicht sonderlich mysteriös oder seltsam. Es ist ganz normale Materie, nur eben mit einer anderen elektrischen Ladung. Ein Elektron ist elektrisch negativ geladen. Ein Positron ist ganz genau so wie ein Elektron, nur eben positiv geladen. Ein Proton ist elektrisch positiv geladen; ein Antiproton elektrisch negativ. Und wo ein normales Atom aus einem Kern mit Protonen besteht der von Elektronen umkreist wird, besteht ein Antiatom aus einem Kern mit Antiprotonen der von Positronen umkreist wird. Aus solchen Antiatomen aufgebaute Antimaterie funktioniert im Prinzip genau so wie normale Materie und würde auch nicht anders aussehen. Erst wenn Antimaterie auf Materie trifft bemerkt man den Unterschied denn dann vernichten sie sich gegenseitig. Das kommt allerdings selten vor, denn natürliche Antimaterie existiert so gut wie nirgends im Universum. Oder gibt es das Zeug vielleicht doch irgendwo und wir haben es nur noch nicht gemerkt? Alexander Dolgov von der Universität Ferrara in Italien und seine Kollegen haben sich Gedanken darüber gemacht, wie man Himmelskörper aus Antimaterie im Universum entdecken könnte (“How to see an antistar”).

Da Materie und Antimaterie bis auf die Ladung identisch sind (stimmt eigentlich nicht ganz, aber dazu später mehr) sollten beim Urknall auch jeweils gleich viel von beiden entstanden sein. Und von einer Mischung aus Materie und Antimaterie dürfte nicht viel übrig bleiben, abgesehen von jeder Menge Energie die bei der gegenseitigen Vernichtung entstanden ist. Aber ganz offensichtlich ist etwas übrig geblieben, denn unser Universum ist voll mit jeder Menge Materie und nur die Antimaterie scheint verschwunden zu sein. Das kann zwei mögliche Ursachen haben: Entweder waren Materie und Antimaterie damals nicht vermischt und es gibt eben heute große Regionen im Universum die voll mit Materie sind und andere große Regionen die voll mit Antimaterie sind. Oder aber es entstanden beim Urknall nicht gleiche Mengen an Materie und Antimaterie sondern ein kleines bisschen mehr Materie. Nach der großen gegenseitigen Auslöschung blieb der Materieüberschuss übrig und aus ihm besteht heute alles im Universum (wenn man von der dunklen Materie absieht).

Ein Positron saust durch eine Nebelkammer. Originalbild der Entdeckung des ersten Antimaterieteilchens im Jahr 1932 (Bild: Public Domain)

Ein Positron saust durch eine Nebelkammer. Originalbild der Entdeckung des ersten Antimaterieteilchens im Jahr 1932 (Bild: Public Domain)

Die zweite Methode wird von den derzeitigen kosmologischen Theorien favorisiert. Warum es mehr Materie als Antimaterie gegeben haben soll, weiß man allerdings noch nicht. Diese Frage gehört zu den großen ungelösten Problemen der Physik. Es gibt diversen Hypothesen die so ein Ungleichgewicht erklären könnten aber die gehören eben zum hypothetischen Teil der Kosmologie und sind nicht Teil des durch Beobachtungsdaten gut abgesicherten Standard-Urknallmodell. Es wird noch ein wenig dauern, bevor wir hier Bescheid wissen. Man ist sich aber trotzdem ziemlich sicher, dass das Verschwinden der Antimaterie durch eine anfängliche Baryonenasymmetrie erklärt werden muss. Denn wenn es irgendwo anders im Universum große Mengen an Antimaterie geben würde, dann müsste man das beobachten können. Sterne schicken nicht nur Licht ins All, sondern auch Teile des Materials aus dem sie bestehen. Bei der Sonne nennen wir das Sonnenwind und das gleiche machen auch alle anderen Sterne. Die Erde wird ständig von der kombinierten Teilchenstrahlung aller möglichen fernen und nahen Himmelsobjekte getroffen. Das ist die kosmische Strahlung und wenn es da draußen irgendwo große Mengen an Antimaterie geben würde, dann müsste auch in der kosmischen Strahlung Antimaterie auftauchen.

Das tut sie aber nicht, wie diverse Messungen zeigen die im Laufe der letzten Jahre und Jahrzehnte angestellt wurden. Aber vielleicht sind die Antisterne und Antigalaxien einfach nur enorm weit weg? Dolgov und seine Kollegen leiten aus den bisher besten Messungen ab, dass eine Antigalaxie mindestens 10 Megaparsec weit entfernt sein muss. Zum Vergleich: Die Galaxie die unserer Milchstraße am nächsten liegt ist die Andromeda-Galaxie und die ist 0,8 Megaparsec weit weg. 10 Megaparsec sind also nicht sooo extrem weit weg und wir kennen jede Menge Galaxien die sich so weit oder weiter entfernt befinden. Aber besteht eine davon aus Antimaterie?

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Kommentare (26)

  1. #1 Chemiker
    29. Oktober 2013

    Sonnenwind besteht doch hauptsächlich aus Protonen und Elektronen; jede Galaxie strahlt sowas in den inter­galakti­schen Raum. Ungefähr in der Mitte zwischen Galaxien und Anti­galaxien müß­te es daher zu An­nihila­tion kommen, also Gamma­strahlung mit der typi­schen 512-keV-Linie von Elektronen.

    Hätte man eine Chance so etwas direkt zu be­obach­ten? Diese Frequenz­bereiche werden doch be­obach­tet; und eine riesige, dif­fuse Licht­quelle könnte als nicht­isotroper Hinter­grund auf­fallen, selbst wenn sie leucht­schwach wäre. Weiß man, wie hoch die Teilchen­dichten außer­halb der Galaxien­haufen sind?

  2. #2 Florian Freistetter
    29. Oktober 2013

    @Chemiker: “Hätte man eine Chance so etwas direkt zu be­obach­ten? “

    Es gibt einige Experimente die nach Annihilationsphotonen suchen (AMS zb). Aber da war bis jetzt nix das auf große Mengen Antimaterie hindeutet.

  3. #3 Darth Ewok
    29. Oktober 2013

    Hallo
    Woher kommen eigentlich die strange quarks? Wandeln sich “normale” Quarks (also up und down) in einer solchen Konstellation spontan in strange quarks um? Der Anteil an “natürlichen” strange quarks müsste ja gleich null sein. Oder entstehen wesentliche Mengen an strange quarks während der Supernova?

  4. #4 Pheromonik
    29. Oktober 2013

    @Darth Ewok:

    Strange Quarks sind einfach Elementarteilchen. Die können, wie andere Elementarteilchen auch, entstehen, wenn du große Mengen an Energie konzentrierst (Supernovaexplosionen reichen dafür, schätze ich mal, nicht aus, in Teilchenbeschleunigern hat man das aber).
    Und die verschiedenen Erhaltungssätze müssen natürliche erfüllt werden
    Strange Quarks sind allerdings nicht stabil, sondern zerfallen in andere Teilchen.
    Was sie sind? Praktisch das schwerere Äquivalent zum up quark.

  5. #5 Bullet
    29. Oktober 2013

    @Darth Ewok: wieso sind “up” und “down”-Quarks “normal”?

  6. #6 Darth Ewok
    29. Oktober 2013

    @pheromonik
    Was strange quarks sind, ist mir schon bewusst. Ich habe mich lediglich gefragt, wieso man der Meinung ist, ein Quarkstern könnte einen nennenswerte Menge an strange quarks beinhalten – eben, weil diese quarks normalerweise sehr instabil sind. Ich habe mal gelesen, dass unter speziellen Bedingungen stabile Baryonen mit zumindest einem strange quark möglich sein sollen. Nur müssen die strange quarks zuerst wo entstehen, bevor sie “stabilisiert” werden können.

  7. #7 Darth Ewok
    29. Oktober 2013

    ach ja – soeben gelesen:
    http://de.wikipedia.org/wiki/Seltsame_Materie
    da steht’s eh.

  8. #8 Darth Ewok
    29. Oktober 2013

    @bullet
    “normal” ist das, was man ständig sehen kann. was man nur sehr selten sieht, ist nicht normal (zumindest aus meiner naiven sichtweise heraus).

    jede materie, die wir “sehen” bzw. angreifen können, besteht aus up und down-quarks (zumindest die atomkerne). damit sind es die “normalen” quarks. strange quarks sind sehr instabil und nur in einem teilchenbeschleuniger zu beobachten. fällt für mich nicht unter “normal” sondern eben “was besonderes”.

  9. #9 Bullet
    29. Oktober 2013

    strange quarks sind sehr instabil und nur in einem teilchenbeschleuniger zu beobachten. fällt für mich nicht unter “normal” sondern eben “was besonderes”.

    Und da sag nochmal einer, im Netz sei nur Müll zu finden. Immerhin ist das ein schönes Beispiel für Perspektive. Auch was schönes.

  10. #10 bfr
    29. Oktober 2013

    Ich war am Tag der offenen Tür im Cern und dort auch am AP-Decelerator. Bei der Führung habe ich nachgefragt, was dort während der letzten Messserie an Ergebnissen angefallen ist. Antwort: Sie haben mit 10^(-13) Genauigkeit (u.a.) die Spektrallinien von Antiwasserstoff vermessen. Allerdings wurden offensichtlich keine Abweichungen von denen bei Wasserstoff gefunden (Also keine neue bisher unentdeckte Physik). Habe ich das falsch verstanden. Denn es kollidiert mit der Behauptung im Artikel, dass die Spektrallinien im Antiwasserstoff anders sein müssten?

  11. #11 Florian Freistetter
    29. Oktober 2013

    @bfr: “Denn es kollidiert mit der Behauptung im Artikel, dass die Spektrallinien im Antiwasserstoff anders sein müssten?”

    Über Antiwasserstoff hab ich nicht gesprochen. Ich zitiere am besten direkt die Autoren des papers:

    Usually one would think that the only way to distinguish a star from an antistar is provided by CP violation. In particular CP violation leads to a difference in intensity of atomic lines emitted by atoms and an tiatoms. Though the energies of emitted photons and the total widths of atomic lines are the same for atoms and antiatoms due to CPT-invarance, the violation of CP leads to different probabilities of particular transitions in atoms and antiatoms. This way to determine if we are dealing with antistar was suggested in [17]. However since CP violation in atomic transitions is very weak, it would be interesting to find an alternative way to search for antistars.

  12. #12 Kallewirsch
    29. Oktober 2013

    @bfr
    Hast du dir das am Anfang des Aritkels verlinkte Video schon angeshen?
    Tara Shears spricht da bei 42:54 darüber, dass es offenbar eine Asymetrie beim B-Quark gibt. Das scheint von Materie bevorzugt zu werden.
    Noch ist mir nicht klar, was das jetzt konkret bedeutet bzw. bedeuten könnte. Böse Zungen behaupten ich warte darauf, bis Martin B. das erklärt.

  13. #13 dingdong
    30. Oktober 2013

    “Die Galaxie die unserer Milchstraße am nächsten liegt ist die Andromeda-Galaxie […]” Was ist mit den Magellanschen Wolken?

  14. #14 Florian Freistetter
    30. Oktober 2013

    @dingdong: “Was ist mit den Magellanschen Wolken?”

    Naja, die sind quasi Satelliten der Milchstraße; Zwerggalaxien und nicht wirklich eigenständige Objekte.

  15. #15 Captain E.
    6. November 2013

    Mal eine andere Frage: Sind Elektronen und Quarks überhaupt Elementarteilchen im engeren Sinne?

    Eigentlich dürften doch Elementarteilchen nicht zerfallen, aber sie tun es. Und dann dieses: Das Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, das Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks. Bekanntlich kann sich nun aus einem Neutron ein Proton bilden, wobei es auch noch für ein Elektron und ein (Anti-) Neutrino reicht. Sehr “elementar” hört sich das alles nicht an.

  16. #16 Theres
    6. November 2013

    @Captain E.
    Elektronen sind welche, Quarks nur im weitesten Sinne, würde ich meinen. Leider folgt jetzt kein gelehrter Vortrag über den Teilchenzoo, aber ein Link 🙂 http://www.joergresag.privat.t-online.de/mybkhtml/chap52.htm

  17. #17 Florian Freistetter
    6. November 2013

    @Captain E. Naja, wenn die Stringtheorie richtig ist, dann sind sie keine. Aber nur weil sie zerfallen folgt daraus nicht, dass sie nicht elementar sind. Das heißt nur, dass sie eben nicht aus weiteren Bestandteilen bestehen. Aber auch wenn sie elementar sind, kann man sie so modifizieren, dass sie sich verändern. Energie und Materie sind ja das selbe. Über die Energie kannst du also ein Materieteilchen in ein anderes “umtauschen”.

  18. #18 Higgs-Teilchen
    17. Dezember 2014

    @Florian und co.

    Im Wiki-Artikel zu Kaonen steht, dass sie aus zwei Quarks bestehen und gleichzeitig Bosonen sind. Wie passt das zusammen? Ich dachte immer, Bosonen sind eigene Teilchen und setzen sich nicht aus anderen Teilchen zusammen.

  19. #19 JaJoHa
    17. Dezember 2014

    @Higgs-Teilchen
    Es kann sein, das du etwas verwechselst, und zwar Baryonen und Bosonen:
    Bosonen haben ganzzahligen Spin, Fermionen halbzahlig. Quarks sind Fermionen mit Spin 1/2. Wenn du zwei Teilchen mit Spin \pm \frac{1}{2} kombinierst kommt 0 oder \pm 1 raus. Das sind die Mesonen, wie Pionen, Kaon und so weiter. Kombinierst du drei Quarks, dann kommt immer was halbzahliges raus, Baryonen. Bekannteste Vertreter sind da das Proton und das Neutron.
    Die ganzen Leptonen sind ebenfalls Fermionen mit 1/2 Spin, also Elektron, Myon und Tau mitsamt ihrer Neutrinos.

  20. #20 Higgs-Teilchen
    17. Dezember 2014

    @JaJoHa

    Auf Wiki steht unter Kaon:
    “Wie alle Mesonen haben Kaonen ganzzahligen Spin und sind somit Bosonen”
    Was denn nun?

  21. #21 PDP10
    17. Dezember 2014

    @Higgs-Teilchen:

    Boson ist eine andere Kategorie.

    Das Gegenteil ist Fermion.

    Das andere Paar ist Baryon – Lepton.

    Erstere beide unterscheiden sich in der Statistik die für sie gilt. Welche gilt bestimmt der Spin:
    Ganzzahlig: Boson, halbzahlig: Fermion.

    Die anderen beiden unterscheiden sich dadurch, dass Baryonen aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind und Leptonen elementar sind.

    Dh. Baryonen mit ganzzahligem Spin sind Bosonen und solche mit halbzahligem Spin sind Fermionen.

  22. #22 Alderamin
    17. Dezember 2014

    @Higgs-Teilchen

    Was denn nun?

    ganzzahliger Spin => Boson
    ¬(Boson => elementar)

  23. #23 JaJoHa
    17. Dezember 2014

    @Higgs-Teilchen
    Das sind unterschiedliche Eigenschaften mit denen du die Teilchen klassifizieren kannst.
    Boson/Fermion ist eine Aussage über den Spin des Teilchens, ganzzahlig ist es ein Boson und halbzahlig ein Fermion. Das hat Folgen für das Verhalten unter Vertauschung und führt unter anderem zum Pauli-Prinzip bei Fermionen.
    Baryon, Meson, Lepton kommt ursprünglich aus der unterschiedlichen Masse der Teilchen (daher leiten sich die Bezeichnungen ab).
    Baryonen sind die schwersten, bestehen aus 3 Quarks (oder drei Antiquarks) und haben halbzahligen Spin (sind also Fermionen). Außerdem zeigen die alle 4 Wechselwirkungen (stark, schwach, elektromagnetisch und Gravitation) und sind Hadronen, weil sie starke Wechselwirkung und Farbladung haben. Außerdem ist die Baryonenzahl erhalten.
    Mesonen sind mittelschwer (leicher als Baryonen, aber schwerer als Leptonen), sind ein Quark und ein Antiquark. Der Spin ist damit ganzzahlig und damit gehören sie zu den Bosonen. Die unterliegen ebenfalls allen 4 Wechselwirkungen, aber die Zahl der Mesonen ist nicht erhalten.
    Die dritten sind die Leptonen (die leichtesten). Das sind Elementarteilchen (im Gegensatz zu Baryonen und Mesonen sind aus Quarks bestehen). Der Spin ist immer halbzahlig (Fermion). Außerdem unterliegen sie der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung, sowie der Gravitation. Starke Wechselwirkung spüren sie nicht, sie sind also keine Hadronen.

    Kaonen zeichnet aus, das sie “Seltsamkeit” haben, das wird als “flavor” (Geschmack) bezeichnet. Sie enthalten strange-Quarks. Pionen haben zum Beispiel keinen Geschmack und die D-Mesonen haben “charm” als Geschmack.

    Die Aussagen über das Gewicht sind aber mit Vorsicht zu betracheten, weil die schwereren Quarks (vorallem c und b) zu dem Zeitpunkt noch unbekannt waren. Das leichteste Meson mit b-Quarks ist etwa 4 mal so schwer wie ein Proton (das leichteste Baryon). Und das Tau (schwerstes Lepton) kann in seinen Zerfällen durchaus 4 Mesonen produzieren.

    Hilft das weiter?

  24. #24 PDP10
    17. Dezember 2014

    Äh, ja …

    Man streiche den letzten Satz meiner #21.

    Das ist natürlich Unsinn.

    @JaJoHa:

    “Hilft das weiter?”

    Er beliebt wohl zu scherzen … 😉

    Wie oben zu lesen, können sich sogar Leute die bei Prof. Meng die Vorlesung über Theoretische Elementarteilchenphysik gehört haben (ok, war vor über 20 Jahren …) in diesem Zoo mal verlaufen 🙂

  25. #25 Higgs-Teilchen
    18. Dezember 2014

    @JaJoHa

    “Hilft das weiter?”
    Ich denke schon. Werde es zwar noch ca. 20 mal lesen müssen bis ich was verstehe, aber dann sollte es schon klappen. 😉
    Danke

  26. #26 Higgs-Teilchen
    18. Dezember 2014

    @PDP10

    Hat sich nicht auch mal Fermi versprochen und dann gesagt, wenn er sich die Namen der ganzen Teilchen merken könnte, dann wäre er Botaniker oder Zoologe geworden?