Was ist Antimaterie? Antimaterie im Kosmos. Antimaterie im Labor

Transkript

1 Antimaterie zwischen Science und Fiction Alban Kellerbauer Max PIanck Institut für Kernphysik, Heidelberg Was ist Antimaterie? Antimaterie im Kosmos Antimaterie im Labor

2 Was ist Antimaterie?

3 Äquivalenz von Masse und Energie 1905: Einstein postuliert die Äquivalenz von Masse und Energie Umtauschkurs : c 2 1 kg = MWh (knapp die Hälfte der Jahresleistung eines modernen Druckwasserreaktors) Albert Einstein Es ist möglich, Materie aus nichts zu erzeugen und umgekehrt!

4 Antimaterie Vorhersage und Entdeckung 1928: Dirac Gleichung beschreibt Eigenschaften von Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Fermionen) Paul A. M. Dirac Gleichung hat negative Energie Eigenwerte: Dirac postuliert die Existenz von Antimaterie electron E > mc 2 E = mc 2 E = 0 positron E = mc 2 E < mc 2

5 Antimaterie Vorhersage und Entdeckung 1932: Entdeckung von Positronenspuren in einer Nebelkammer Ablenkungsradius der Spur zeigt Ladung u nd Bewegungsrichtung des Teilchens an Länge der Spur schließt aus, dass es sich (wie ursprünglich vermutet) um ein Proton handelt 1955 / 1956: Entdeckung des Antiprotons unddesantineutrons des ambevatron (B Berkeley)

6 Antimaterie Vorhersage und Entdeckung Wie können wir uns Antimaterie Teilchen vorstellen? Teilchen und Antiteilchen als zwei verschiedene Ausprägungen derselben grundlegenden physikalischen Struktur Erhaltung von bestimmten Quantenzahlen erfordert gleichzeitige Erzeugung von Materie und Antimaterie

7 Antimaterie im Standardmodell Jedes Elementarteilchen hat sein Antimaterie Gegenstück: Leptonen Quarks Elektron e e + Up u u Myon μ μ + Down d d Tauon τ τ + Charm c c Elektron-Neutrino ν e ν e Strange s s Myon-Neutrino ν μ ν μ Top t t Tau-Neutrino ν τ ν τ Elementare + e - teilchen Bottom b b e + e - atomares System zusammengesetztes p p Teilchen p p

8 Natürlich vorkommende Antimaterie β Zerfall von radioaktiven Atomkernen: Kosmische Strahlung: p n + e + + ν

9 Antimaterie als Energiequelle Antimaterie kann mit 100% Effizienz in Energie umgewandelt werden Energieausbeute (in kj/mol): Verbrennung von Wasserstoff: 140 Kernfusion: 6, Annihilation von Antimaterie: 1, (1 kg entspricht dem Energieverbrauch einer deutschen Kleinstadt in ca. 100 Jahren) Praktische Schwierigkeiten: Es sind keine natürlichen Vorkommen von Antimaterie bekannt (nirgendwo im Universum) Mit heutiger Technik muss für die Herstellung von Antimaterie 10 Md Mrd. mal mehr Energie aufgewendet werden als sie enthält

10 Antimaterie zum Antrieb von Raumfahrzeugen 1966: (Fiction) Antimaterie im Warpantrieb des Raumschiffs Enterprise Antimaterie Reaktor mit Dilithium Kristall als Moderator Praktische Schwierigkeiten: s.o. seit 1990: Antimaterie als Bestandteil des Antriebs von interstellaren Sonden Kernspaltung oder fusion wird durch eine kleine Menge Antimaterie gestartet ICANN Raumsonde, Pennsylvania State U

11 2000: (Fiction) Roman Illuminati von Antimaterie als Waffe Dan Brown Bedrohung des Vatikans durch eine Antimaterie Bombe ¼ g Antimaterie in einer kleinen schwarzen Kiste = 10,7 kt TNT-Äquivalent Hiroshima-Atombombe 64 kg Uran 15 kt TNT-Äquivalent Praktische Schwierigkeiten: Keine bk bekannte Technik erlaubt die Speich herung von mehr als ca Antimaterie Atomen (entspricht 150 J) Die Herstellung von ¼ g Antimaterie würde mit heutiger Technik etwa 1 Mrd. Jahre brauchen

12 Antimaterie in der Medizin 1952: Positronen Emissions Tomographie entwickelt am Massachussetts General Hospital 1. Positronenemittierende itti Nuklide ( 11 C, 13 N, 15 O, 18 F) werden in physiologisch relevante Moleküle (Sauerstoff, Glukose, Enzyme) eingebaut und dem Patienten injiziert 2. Die Annihilation der Positronen wird mit Kristall Kalorimetern registriert [Jens Langner, FZD]

13 Antimateriee im Kosmos

14 Baryonen Asymmetrie Im Urknall vor etwa 13,7 Milliarden Jahren sind vermutlich gleiche Mengen Materie undantimaterie entstanden Die allermeisten Teilchenpaare annihilierten sich kurz danach Aber: Es ist noch Materie übrig! Astronomische Beobachtungen zeigen keine Hinweise auf (primäre) Antimaterie im Universum 1998: AMS 01 Experiment: He Kerne 0 He Kerne beobachtet Alpha Magnetic Spectrometer an Bord des Space Shuttles Shuttles Discovery

15 Baryonen Asymmetrie Asymmetrie Parameter: vor 13.7 Mrd. Jahren heute n Teilchen n Antit. n Photonen 10 9 Wir die winzige Abweichung ist für die Existenz aller baryonischen Materie verantwortlich! Mögliche Erklärungen: 1. Unterschiede in den Eigenschaften von Materie und Antimaterie t i (CP oder CPT Verletz zung) 2. Anomale Gravitation, Trennung in verschiedenen Bereichen des Universums

16 1955: CPT Theorem (W. Pauli) CPT Symmetrie kombinierte Operatoren C, P und T wandeln ein Teilchen in sein Antiteilchen um: C Ladungskonjugation P Raumspiegelung T Zeitumkehr e + e C CP CPT Teilchen undantiteilchen haben (z.t. bisa auf ein Vorzeichen) identische Eigenschaften: Masse Ladung magnetisches Moment mittlere Lebensdauer... Diese Eigenschaften kann man vergleichen! Beispiel: Übergangsfrequenz 1S 2S im Wasserstoff 1s 1/2 quench τ = 1.6 ns τ = 122 ms 2s 2p 3/2 1/2 2p 1/2 243 nm 243 nm nm (Lyman α) f = (10) Hz H

17 Antimaterie Gravitation Die Wirkung der Schwerkraft auf gewöhn Antimaterie Gravitation ist bis heute nicht liche Materie ist sehr gründlich erforscht untersucht worden geladene Elementarteilchen sind zu empfind lich auf elektromagnetische Streufelder neutrale Antimaterie stand bislang nicht zur Verfügung Test des Schwachen Äquivalenzprinzip s: Die Flugbahn eines fallenden Testkörpers ist unabhängig von seiner Zusammen nsetzung.

18 Wunschzettel für Antimaterie Techniken der Präzisions Spektroskopie können vom Wasserstoff auf den Antiwasserstoff übertragen werden Für Gravitationsmessungen wird (beliebige) neutrale Antimaterie benötigt (Anti )Wasserstoff ist das einfachste Atom n = 3 n = 2 n = 1 +Ze ΔE = ħω Es wird (neutraler) Antiwasserstoff benötigt in großen Mengen in Ruhe (in einer Falle) kalt

19 Antimaterie im Labor

20 Man nehme Antiprotonen Herstellung GeV Verzögerung MeV Einschluss kev Kühlen (m)ev e + Positronen Herstellung MeV Moderation Speicherung ev Antiwasserstoff- Rekombinationn Einschluss oder Strahlbildung Präzisionsmessung

21 Herstellung von Antiprotonen Von der Gasflasche zu hochenergetischen Protonen: CERN Beschleunigerkomplex Antiprotonen werden beim Beschuss eines Targets durch Paarbildung erzeug gt protons target magnet pions, muons, electrons Ungewollte Nebenprodukte (π, μ, e ) werden mit einem magnetischen Filter entfernt p Ir p p antiprotons

22 Antimateriefabrik AD Protons Antiproto ons Alle 90 s werden aus 10 7 Protonen 10 7 Antiprotonen produziert Abbremsen im Speichering p = 3.5 GeV/c 100 MeV/c Schneller Ausschuss (200 ns Pakete) AD PS

23 Antimateriefabrik AD Speicherring zum Abbremsen und Kühlen von Antiprotonen 2 injection at 3.5 GeV/c 1 antiproton production 4 extractio n ( in 200 ns) AEGIS ATRAP 3 deceleration and cooling ( GeV/c) stochastic c cooling ASACUSA ATHENA /ALPHA m electron cooling

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25 ATHENA Aufbau Antiprotonen Einfangfalle Verzögerung und Einfang von Antiprotonen Penningfalle ein 3 T Magnetfeld e bei 15 K 22 Na Quelle und Akkumulator Erzeugung von Positronen durch β + Zerfall Penningfalle ein 0.14 T Magnetfeld e bei 300 K Mischfalle und Detektor Antiwasserstoff Herstellung Penningfalle in 3 T Magnetfeld bei 15 K

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27 Antiwasserstoff Erzeugung in der Penningfalle Technik der verschachtelten Potentiale: B 25 mm ATHENA e + N n cm 3 3 N 10 4 electric potential (V) positrons antiprotons axial coordinate (mm) ATRAP e + N N 10 5 Positronen kühlen unter Aussendung von Synchrotronstrahlung t hl von alleine auf die Umgebungstemperaturr (4 15 K) ab Antiprotonen werden in die vorgekühlten Positronen eingeschossen Ħ Herstellung setzt spontan und mit hohen Raten ein 2002: Erste Erzeugung von kaltem Antiwasserstoff durch ATHENA

28 Animatio on /athena/ How ATHENA works How it all comes together

29 Einschluss von neutralen Antiatomen Prinzip: Magnetfeldgradient übt Kraft auf das magnetische Moment des Atoms aus: B F atom μ r Radiales Feld wird durch Multipolfalle erzeugt: Einschluss im Magnetfeld Minimum (Hälfte der Atome) [Israel Inst. of Technology]

30 Speicherung von Antiwasserstoff 2011: ALPHA erreicht Einschluss von Antiwasserstoff in einer Multipolfalle vacuum wall mirror coils octupole p nicht gezeigt: gelb: Solenoid Elektroden y φ x rot: Multipol Spulen z annihilation detector electrodes e + grün: Spulen f. axialen Einschluss y (mm m) B (T) B (T) 2 2 Fallentiefe: 1 T or 0.6 K x (mm) z (mm)

31 Prinzip des AEGIS Experiments: Antimaterie Gravitationsmessung antiproton trap acceleration region interferometer positronium converter 1) Einfang und Kühlung von Antiprotonen 2) Erzeugung von Positronen 3) Herstellung von Antiwasserstoff über angeregtes Positronium 4) Bildung eines Antiwasserstoff Strahls 5) Gravitationsmessung Ziel: Gravitationsmessung mit 1% Genauigkeit

32 Gravitations Messung Kräfte kann man mit einer Folge von Schlitzen messen: Messung der vertikalen Ablenkung δx durch Verschieben des dritten (Analyse )Schlitzes Moiré Deflektometer viele Schlitze grating 1 grating 2 position-sensitive detector vertikale Ablenkung δx 10 μm vertikales Strahlausmaß: Δx 5.8 cm atomic beam L L (Antiwasserstoffstrahl bei 100 mk, beschleunigt auf 500 ms 1 )

33 Aufnahme der vertikalen Position als Funktion der Flugzeit/Geschwindigkeit: v Strahl = 600, 400, 300, 250 m/s Gravitations Messung Aufsummieren der Peaks: Messung von g auf 1%: 10 5 Ħ Atome bei 100 mk 2 Wochen Strahlzeit Ereignisrate 1 Hz

34 Aufbau von AEGIS September 2011 November 2012

35 Zusammenfassung Antimaterie ist überall (aber von gewöhnlicher Materie) es gibt viel weniger davon als Die Antimateriefabrik am CERN ist zur Zeit der einzige Ort, an dem Antimaterie Atome hergestellt werden können Millionen von Atomen sind bereits erzeugt worden, auch der Einschluss ist schon gelungen Viele aufregende Messungen zur CPT Verletzung und zur Antimaterie Gravitation stehen bevor