Wenn die Science-Fiction-Schriftsteller gewusst hätten, wie kompliziert die Konstruktion eines Behälters für Anti-Wasserstoff ist, hätten sie sich einen anderen Treibstoff ausgedacht
Antimaterie, aus den Gegenstücken unserer bekannten Elementarteilchen aufgebaut, ist für Autoren phantastischer Romane überaus verführerisch. Ermöglicht sie doch die Konstruktion eines Treibstoffs mit der ultimativen Energiedichte, weil die Annihilation mit Teilchen gewöhnlicher Materie mit einer nicht zu übertreffenden Energieausbeute endet. Allerdings ist es nicht so einfach, diese Reaktion zu steuern. In der Praxis ist es Anti-Atomen völlig egal, auf welches Normal-Atom sie gerade stoßen. Die Star-Trek-Autoren haben sich deshalb 2.5.6-Dilizium-2.:.1-Diallosilikat-1:9:1-Heptoferranid, umgangssprachlich Dilithium, ausgedacht, einen Stoff, der angeblich nicht mit Antimaterie reagiert.
Näher an der Realität sind die Erfinder von Kirk, Spock & Co., wenn es um die Aufbewahrung des Anti-Treibstoff geht: Er wird in so genannten Eindämmungskammern gespeichert - und zwar auf magnetischer Basis. Das ist tatsächlich der einzige Punkt, an dem man neutrale Atome packen kann - oder besser packen könnte, denn die Dimensionen der Kräfte, die sich zwischen elektrischen und magnetischen Dipolen ergeben, sind leider stark unterschiedlich.
Während es relativ einfach ist, Antiprotonen in einem elektrischen Feld zu halten, ist es umso schwieriger, Antiwasserstoff-Atome magnetisch auf einen bestimmten Ort zu beschränken. Eine Grundvoraussetzung dafür besteht so schon einmal darin, dass sie nur sehr wenig kinetische Energie besitzen dürfen, also sehr kalt (etwa 0,5 Kelvin) sein müssen.
Die Falle
Trotzdem ist nun Forschern des CERN das Kunststück gelungen, Antiwasserstoff-Atome für gewisse Zeit zu speichern. Der Prozess ist überaus kompliziert, wie in dieser Woche im Wissenschaftsmagazin Nature nachzulesen (http://dx.doi.org/10.1038/nature09610) ist. Zunächst müssen die Forscher dazu die Ingredienzien vorbereiten. Sie benötigen zum einen Antiprotonen. Dazu schickten sie 3,7 mal 107 Teilchen durch einen Entschleuniger - auch das gibt's in den Hallen des weltgrößten Beschleunigers. Die übrig gebliebenen etwa 30.000 Antiprotonen lagern in einer mit elektrischem Potenzial arbeitenden Falle; das Plasma, das sie bilden, hat einen Durchmesser von etwa 0,8 Millimeter und ist mit 200 Kelvin immer noch recht heiß.
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Foto der Elektroden (in Gold) für die "Falle". Foto: Niels Madsen ALPHA/Swansea
Die nötigen Positronen hingegen stammen aus dem Betazerfall einer 22Na-Quelle, werden in einem Akkumulator gesammelt und mit Hilfe von Verdampfungskühlung (bei der man den energiereichsten Teilchen jeweils die Flucht erlaubt) auf etwa 40 Kelvin gebracht. In dem 0,9 Millimeter durchmessenden Plasma stecken noch 2 Millionen Positronen. Nun bringt man die beiden Elementarteilchen-Pools in unmittelbare Nähe, in Form von zwei elektrisch erzeugten Potenzialbrunnen, aus denen die Teilchen zunächst nicht fliehen können.
Mit Hilfe eines oszillierenden elektrischen Feldes erhöht man schrittweise die Energie der Antiprotonen, bis sie ihren eigenen Brunnen verlassen und in den Positronen-Brunnen fallen können - und zwar mit sehr geringer Relativgeschwindigkeit, so dass die sich bildenden Antiwasserstoffatome sehr wenig kinetische Energie besitzen. Schon nach einer Sekunde bricht man den Prozess ab, die restlichen geladenen Teilchen werden einfach per Feldumpolung aus dem Nest geworfen.
Das Experiment 335 mal wiederholt
Da der komplette Prozess in einem geschickt konstruierten Magnetfeld stattfindet, bleiben nur neutrale Antiwasserstoffatome an Ort und Stelle. Jedenfalls wenn sie kalt genug sind - für alle anderen registrieren die Forscher in Silizium-Detektoren die passenden Zerfallsereignisse. Ob jetzt tatsächlich noch Antiwasserstoff in der Falle steckt, ist gar nicht so leicht herauszufinden - sehen kann man die Atome ja nicht.
Die CERN-Forscher behelfen sich mit einem Trick: Sie schalten das Magnetfeld des Supraleiters einfach ab und messen, was passiert. Und wirklich registrieren sie sofort nach dem Abschalten eine ganze Anzahl weiterer Annihilationen. Um ganz sicher zu gehen, berichten die Wissenschaftler in Nature, haben sie das Experiment 335 mal wiederholt. Insgesamt zählen sie dabei 38 Annihilationen nach Abschalten des Supraleiters. 38 Annihilationen, die insgesamt 38 gespeicherten Antiwasserstoff-Atomen entsprechen.
Das klingt nach einem eher bescheidenen Ergebnis. Die Forscher sind aber trotzdem hoffnungsvoll: Zum einen sollten sich Temperatur und Dichte der Positronen noch optimieren lassen, um mehr Antiwasserstoff-Atome zu erhalten, zum anderen sind auch die Antiprotonen im Vergleich zu ihrer Umgebung noch sehr warm.
Bis zu den Star-Trek-Eindämmungskammern ist also noch ein weiter Weg. Die Raumfahrt ist aber auch gar nicht das Ziel: Es geht darum, an Antiwasserstoff unsere Physik überprüfen zu können. Denn eigentlich müssten die Spektren von Wasserstoff und Antiwasserstoff ziemlich gleich aussehen - eine Bestätigung dieser theoretischen Vorhersage würde die Theorie stützen.
Quelle : http://www.heise.de/tp/
Mit dem Fermi-Weltraumteleskop konnte beobachtet werden, dass durch Gewitter Gammastrahlenblitze, die Antimaterie in den Weltraum blasen
Antimaterie, so haben Astronomen zu ihrer Überraschung entdeckt, wird massenhaft auf der Erde produziert. Mit dem Röntgenstrahl-Weltraumteleskop Fermi der Nasa haben sie nämlich festgestellt, dass bei Gewittern auch kurze Gammastrahlenblitze (TFG) entstehen, die Antimaterie-Teilchen in den Weltraum schleudern. Und das ist kein seltenes Ereignis, täglich soll es 500 solcher Gammastrahlenblitze geben, schätzen die Wissenschaftler von der University of Alabama in Huntsville, die über ihren Fund einen Beitrag für die Geophysical Research Letters geschrieben haben. Seit 2008 wurden mit Fermi 130 TFG beobachtet.
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Gammastrahlenblitze produzieren Elektronen und Positronen, die mit fast Lichtgeschwindigkeit entlang dem Magnetfeld der Erde in den Weltraum schießen. Bild: Goddard Space Flight Center
Fermi beobachtet Gammastrahlen, die stärkste Energieform des Lichts. Wenn Positronen auf Elektronen treffen, werden beide zerstört (Annihilation) und in Röntgenstrahlen transformiert. Von Fermi wurden Röntgenstrahlen mit einer Energie bis zu 511.000 Volt gemessen, die ein solches Zusammentreffen belegen. Bei Gewittern können auf deren Oberseite so starke elektrische Felder entstehen, dass sie einen Schwall an Elektronen fast mit Lichtgeschwindigkeit in die Höhe treiben können, berichten die Wissenschaftler. Wenn sie auf Luftmoleküle treffen, entstehen Röntgenstrahlen, deren Energie Positronen und Elektronen entstehen lassen und in den Weltraum schießen. Diese Teilchen können von Fermi auch dann mit dem Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM) registriert werden, wenn die Gewitter weit entfernt sind.
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Von Fermi seit 2008 beobachtete Gammastrahlenblitze bei Gewittern. Bild: Goddard Space Flight Center
So war Fermi am 14. Dezember über Ägypten, während ein Gewitter 4.500 km entfernt über Sambia stattfand. Die von den Gammastrahlenblitzen entstehenden Positronen und Elektronen konnten von Fermi registriert werden, obgleich das Gewitter eigentlich gar nicht beobachtet werden konnte, weil es sich hinter dem Horizont befand. Trotzdem war Fermi magnetisch durch die Positronen und Elektronen mit dem Gewitter verbunden, so Joseph Dwyer vom Florida Institute of Technology. Der Teilchenstrahl schoss über Fermi hinaus bis zu einem Spiegelpunkt, wo sich seine Bewegungsrichtung umkehrte und 23 Millisekunden später auf Fermi stieß, wobei jeweils Positronen mit Elektronen zusammenstießen und sich in Röntgenstrahlen verwandelten, die von Fermis GBM-Instrument registriert wurden.
(http://www.heise.de/tp/r4/artikel/34/34002/34002_1.jpg)
Man geht davon aus, dass Antimaterie-Teilchen ständig auf die Atmosphäre prasseln und dort annihiliert werden. Positronen können auf der Erde nur kurzfristig existieren, so konnten sie bei Experimenten des Cern-Teilchenbeschleunigers produziert und erfasst werden, nachweisen lassen sie sich sonst nur im Weltraum.
Quelle : http://www.heise.de/tp/
Bei der Kollision von Goldatomkernen in einem Teilchenbeschleuniger in den USA haben Wissenschaftler erstmals Antihelium-4-Teilchen produziert. Die 18 Antiteilchen, die aus der Kollision von einer Milliarde Goldteilchen entstanden, sind die schwersten bislang nachgewiesenen Antimateriepartikel.
Wissenschaftlern an einem Teilchenbeschleuniger in den USA ist es erstmals gelungen, Antihelium-4 nachzuweisen. Es sind die bisher schwersten Antiteilchen, die nachgewiesen werden konnten.
Kollision von Goldatomkernen
Die Wissenschaftler ließen im Teilchenbeschleuniger Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) Goldatomkerne mit einer Energie von 200 Gigaelektronenvolt (GeV) kollidieren. Dabei entstanden aus je zwei Antiprotonen und zwei Antineutronen Antihelium-4-Kerne. In den Trümmern aus einer Milliarde Goldatomen fanden die Wissenschaftler im Solenoidal Tracker At RHIC (Star) 18 Antihelium-4-Kerne. Der RHIC gehört zum Brookhaven National Laboratory in Upton im US-Bundesstaat New York. Star ist eines der Experimente des Beschleunigers.
(http://scr3.golem.de/screenshots/1103/quarkgluonenplasma/thumb480/qgp.jpg)
Die Bedingungen bei der Kollision der Goldpartikel ähnelten denen kurz nach dem Urknall. Bei den Kollisionen entsteht das Quark-Gluon-Plasma. In diesem Materiezustand sind Quarks und Antiquarks - also Materie und Antimaterie - in beinahe gleicher Anzahl vorhanden. Wenn es sich abkühlt, können Antiteilchen entstehen.
Schwerstes Antiteilchen
Es sei das erste Mal, dass so schwere Antiteilchen nachgewiesen worden seien, schreiben die Forscher der Star-Koalition in einem Aufsatz, der als Preprint auf dem Dokumentenserver Arxiv veröffentlicht wurde. Das bis dato schwerste Antiteilchen war ein Antihelium-3, das aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron besteht. Es wurde 1970 von russischen Forschern nachgewiesen.
Die Zahl der nachgewiesenen Antihelium-4-Kerne habe Vorhersagen der Thermodynamik entsprochen. Je schwerer ein Antimaterieteilchen ist, desto schwieriger ist es herzustellen - die Rate sinkt pro weiterem Kernbaustein um den Faktor 1000. Die Star-Forscher halten es mit der gegenwärtig verfügbaren Technik für unmöglich, schwerere Antimaterie zu produzieren. Das nach dem Periodensystem folgende Teilchen wäre ein Antilithium-6.
Antimaterie im Weltall
Am 19. April 2011 schickt die US-Weltraumbehörde Nasa an Bord des Spaceshuttles Endeavour das Alpha-Magnet-Spektrometer (AMS) zur Internationalen Raumstation. Das AMS soll im Weltraum nach Antimaterie suchen. Die Nasa-Mission STS-134 ist zugleich der letzte Flug der Endeavour. Der letzte Flug eines Spaceshuttles überhaupt ist für Juni 2011 geplant.
Quelle : www.golem.de
Wissenschaftler am Cern haben einen neuen Rekord beim Einfangen von Antimaterie aufgestellt. Sie konnten Antiwasserstoffatome über eine Viertelstunde in einer Magnetfalle festhalten und untersuchen. Ihr alter Rekord lag bei knapp zwei Zehntelsekunden.
Während das Experiment, das Antimaterie im Weltall aufspüren soll, wegen technischer Schwierigkeiten am Spaceshuttle erst einmal nicht zu seinem Bestimmungsort aufbrechen kann, haben Wissenschaftler auf der Erde einen neuen Erfolg mit Antimaterie erzielt: Am Experiment Alpha des Antiproton Decelerator (Antiprotonen-Entschleuniger, kurz: AD) haben sie Antimaterieteilchen deutlich länger als bisher festhalten können.
Kurzer Blick auf Antimaterie
Im November 2010 hatten die Forscher Antiwasserstoffteilchen lange genug in einem Magnetfeld festgehalten, um sie untersuchen zu können. Lange genug, das hieß in dem Fall 172 Millisekunden. Ihnen war also nur ein kurzer Blick auf die Antimaterie vergönnt.
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Jetzt haben die Wissenschaftler der Alpha-Kollaboration am europäischen Kernforschungszentrum Cern ihren eigenen Rekord überboten - und das deutlich: Über 16 Minuten saßen die Atome in der Falle, schreiben sie in einem Aufsatz (http://arxiv.org/abs/1104.4982), der als Preprint auf dem Dokumentenserver Arxiv veröffentlicht wurde. Es sei für weitergehende Studien wichtig, Antiatome länger als bisher festzuhalten.
Länger und mehr
Sie konnten aber nicht nur die Dauer, sondern auch die Zahl erhöhen: 309 Antiwasseratome konnten die Wissenschaftler in dem Magnetfeld einfangen und beobachten, bevor sie in Kontakt mit Materieteilchen ausgelöscht wurden. Bei dem vorherigen Versuch waren es nur 38 gewesen.
Antimaterie ist das Spiegelbild der Materie: Beide sind identisch aufgebaut, aber haben entgegengesetzte Ladung. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton und einem Elektron, ein Antiwasserstoff hingegen aus einem Antiproton und einem Positron. Treffen beide aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus.
Wo ist die Antimaterie geblieben?
Antimaterie stellt Wissenschaftler noch immer vor ein Rätsel. Theoretisch müsste es genauso viel Antimaterie geben wie Materie, da beide beim Urknall in gleicher Menge entstanden sein müssten. Da das Universum aus Materie besteht, zieht die Natur Materie offensichtlich vor. Es sind jedenfalls bisher noch keine Himmelskörper entdeckt worden, die aus Antimaterie bestehen.
Das wissenschaftliche Instrument Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) soll Aufschluss darüber bringen. Das ist ein Detektor, der außen an der ISS angebracht wird. Er soll ankommende geladene Partikel wie Protonen oder Elektronen einfangen und untersuchen. Erfasst AMS-02 irgendwann ein oder mehrere Antimaterieteilchen, könnte das ein Hinweis darauf sein, dass irgendwo im Weltall noch größere Mengen Antimaterie existieren, möglicherweise sogar ganze Galaxien, die daraus bestehen.
Quelle : www.golem.de
Forscher am Cern haben erste Messungen mit Antiwasserstoff durchgeführt. Die Forscher hoffen auf Erkenntnisse, die Aufschluss darüber geben, warum das Universum Materie gegenüber Antimaterie bevorzugt.
Nachdem es Cern-Forschern im Juni 2011 gelang, Antiwasserstoff in einer Art Langzeitfalle für rund 1.000 Sekunden festzusetzen, konnten sie nun erste Messungen an den Antiwasserstoffatomen vornehmen. Es gilt herauszufinden, wie sich Antimaterie verhält, um besser zu verstehen, wie das Universum entstand.
Rätsel Antimaterie
Antimaterie ist das Spiegelbild der Materie: Beide sind identisch aufgebaut, haben aber entgegengesetzte Ladung. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton und einem Elektron, ein Antiwasserstoff hingegen aus einem Antiproton und einem Positron. Treffen beide aufeinander, löschen sie sich gegenseitig aus.
Antimaterie stellt Wissenschaftler noch immer vor ein Rätsel. Theoretisch müsste es genauso viel Antimaterie geben wie Materie, da beide beim Urknall in gleicher Menge entstanden sein müssten. Da das Universum aus Materie besteht, zieht die Natur Materie offensichtlich vor. Es sind jedenfalls bisher noch keine Himmelskörper entdeckt worden, die aus Antimaterie bestehen. Die Forscher wollen herausfinden, warum die Antimaterie verschwunden ist.
Untersuchungsobjekt Antiwasserstoff
Dabei ist Antiwasserstoff ein guter Ansatzpunkt, denn Wassertoffatome sind sehr einfach aufgebaut - sie haben nur ein Elektron, das um einen Kern kreist - und gut erforscht. Wasserstoffatome können zudem mit Licht angeregt werden, wodurch die Elektronen auf höhere Orbits wechseln. Beim Sprung zurück in den Normalzustand emittieren die Atome Licht mit einer bestimmten Frequenz, die leicht messbar ist. Nach den Prinzipien der Physik sollte sich Antiwasserstoff genauso verhalten wie Wasserstoff, so dass die Forscher hoffen, letztendlich die gleiche Lichtfrequenz messen zu können.
(http://scr3.golem.de/screenshots/1203/Antiwasserstoff/thumb620/1011301_08-A4-at-144-dpi.jpg)
So weit sind die Cern-Forscher aber noch nicht. In einem in Nature veröffentlichten Aufsatz beschreiben sie aktuell erste Messungen. Dabei wurde der Elektronenspin der Antiwasserstoffatome mit Mikrowellen umgedreht, so dass sie ihre magnetische Orientierung wechseln. Die durch magnetische Felder gefangenen Antiwasserstoffatome entfleuchen so ihrer Falle, stoßen mit Materie zusammen und werden ausgelöscht. Dabei hinterlassen sie charakteristische Muster in den sie umgebenden Partikeldetektoren.
Quelle : www.golem.de