Antimaterie - die geheimnisvolle Materie aus Antiteilchen

Materie ist jedem bekannt. Wir bestehen aus ihr, sie umgibt uns, wir nutzen sie. Egal ob wir einen Stein, eine Eisenbahnschiene, einen Frosch, eine Blume oder den Bundespräsidenten betrachten, die materielle Zusammensetzung aus Elementarteilchen ist die gleiche: Sie alle bestehen aus den Bausteinen Proton, Neutron und Elektron.

Antimaterie dagegen ist geheimnisumwoben, obwohl sie nichts anderes als Materie mit umgekehrtem Vorzeichen ist - so wie wir Geld und "Antigeld" als Haben und Schulden kennen, die auf unserem Konto jeweils "nur" eine Zahl darstellen. Was den Kontostand betrifft, so macht das Vorzeichen allerdings einen wesentlichen Unterschied in der Wirkung auf den Kontoinhaber oder die kontoführende Bank, und die "Produktion" eines Geld-Antigeld-Betrages aus dem Vakuum (d.h. die Aufnahme eines Kredits von unserem leeren Konto bei der Bank) führt, wie wir aus Erfahrung wissen, zu einem Überschuss an Antigeld. Denn Geld und Antigeld verhalten sich in Bezug auf den Zinssatz "asymmetrisch", der Sollzins ist höher als der Habenzins.

Ein Universum aus Materie

Ganz ähnlich wie in dieser Analogie stellt sich die Frage, ob es eine derartige Asymmetrie auch zwischen Materie und Antimaterie gibt. Verhalten sich Materie und Antimaterie gleich, oder unterscheiden sie sich in ihren Eigenschaften? Nach derzeitigem Kenntnisstand ist das Universum im Urknall aus hochdichter Energie durch Expansion des Raumes entstanden, wobei gemäß der bekannten Relation von Einstein E = mc² die Energie in Masse umgesetzt wurde. Bei dieser Umwandlung entstehen immer paarweise Teilchen und Antiteilchen, zunächst als subnukleare Bausteine der Materie, wie z.B. Leptonen oder Quarks und Gluonen, die eventuell ein Quark-Gluon-Plasma bilden.

Daraus formten sich dann aber schnell die heutigen Teilchen und ihre Antipartner, wie Proton-Antiproton, Neutron-Antineutron, Meson-Antimeson usw. Zu jedem Teilchen gibt es das zugehörige Antiteilchen. Unser Universum scheint jedoch ausschließlich aus Materie zu bestehen. Wie ist das geschehen? Wo sind sie, die Antimaterieteilchen, geblieben?

Der Mensch und die Welt der Naturwissenschaft

Bildbeschreibung:

Die Untersuchung von makroskopischen Phänomenen und das Studium des Mikroskosmos befruchten und ergänzen sich gegenseitig. Die moderne Naturwissenschaft versetzt den Menschen somit in die Lage, die Strukturen und Kräfte in unserem Universum als Ganzes erfassen zu können.

Durch das Studium von makroskopischen Phänomenen und die Untersuchung des Mikrokosmos hat uns die moderne Naturwissenschaft in die Lage versetzt, Erscheinungsformen und Gesetze des einen durch die des anderen zu interpretieren.

Die Antwort auf die Frage, warum das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, wird aller Wahrscheinlichkeit nach in den Gesetzen der Physik der Elementarteilchen zu finden sein. Dass das Universum nicht leer ist, sondern aus Galaxien, Sternen, Planeten und letztendlich auch uns besteht, scheint auf eine Brechung der Symmetrie fundamentaler Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie zurückzuführen zu sein.

Die Antimaterie in der modernen Physik

Die Einführung der Antimaterie in die moderne Physik begann, als der englische Physiker Paul A. M. Dirac um 1928 versuchte, die beiden fundamentalen Theorien des Makro- und des Mikrokosmos, die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik, in Einklang zu bringen. Dabei entwickelte er die berühmte "Dirac-Gleichung", die die Bewegung relativistischer, freier Teilchen mit einem Spin beschreibt.

Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen aus dieser Arbeit waren für den "Normal- Physiker" jener Zeit unvorstellbar und sehr zweifelhaft. Dirac jedoch bestand darauf, dass "Gott ein höchst genialer Mathematiker ist, der das Universum nach tiefgründigen und feinsinnigen mathematischen Gesetzmäßigkeiten aufgebaut hat", und dass "ein physikalisches Gesetz mathematisch schön sein muss".

Die relativistische Energie- und Impulsrelation E² = m² + p² beinhaltet zwei Lösungen: E₁ = + √(m² + p²) und E₂ = - √(m² + p²). Anstatt die negative Energielösung zu verwerfen, interpretierte Dirac diese als Antiteilchen - eine Auslegung, die als die Geburtsstunde der Antimaterie in der modernen Physik anzusehen ist.

Dirac entwickelte daraus die Vorstellung über das Vakuum, wie sie heute zwar in erweiterter Form, aber in ihren Grundzügen nach wie vor gültig ist. Vereinfacht dargestellt ist das Vakuum danach eine Art gleichförmiger "See" von Zuständen mit negativer Energie, wobei all diese Zustände mit Teilchen besetzt sind.

Wird z.B. ein Elektron aus diesem See "herausgeschlagen" und somit als reales Teilchen erzeugt, so entsteht im Vakuumsee entsprechend ein positiv geladenes "Loch". Der Traum Diracs, dieses zum Elektron gehörende Loch im Vakuumsee als Proton (also als Materieteilchen mit positiver Ladung) zu interpretieren, hätte die Zahl der Elementarteilchen zur damaligen Zeit auf eins reduziert. Dies schien eine verlockende Idee zu sein, konnte aber - insbesondere wegen der um einen Faktor von etwa 2000 unterschiedlichen Masse von Elektron und Proton - nicht aufrecht erhalten werden.

So wurde die Geburtsstunde der Antiteilchen als "Löcher" im Vakuumsee eingeläutet. Auf der Energieskala betrachtet, befindet sich das Antiteilchen tief oder weniger tief im Vakuumsee und das Teilchen entsprechend hoch oder weniger hoch über dem See, gleichermaßen wie unser Spiegelbild genau so tief im Raum erscheint, wie wir von diesem Spiegel entfernt stehen.

Diese Vorstellungen von Dirac zur Antimaterie erhielten kurz nach ihrer Formulierung - in der experimentellen Entdeckung des Antielektrons, des so genannten Positrons, durch Charles D. Anderson im Jahr 1932 - eine überzeugende Bestätigung.