Illuminati – wahr oder falsch?

Dan Brown lässt seine Charaktere in Illuminati mit Antimaterie eine Bombe bauen, mit der der Vatikan zerstört werden soll. Quelle der Antimaterie ist dabei das Forschungszentrum CERN. Welche Teile dieser Fiktion sind wahr, welche sind reine Erfindung?

Existiert das CERN?

Ja, es existiert. Sie finden es etwas außerhalb von Meyrin, nahe Genf.

Liegt es in der Schweiz?

Ein Teil ist in der Schweiz, ein Teil in Frankreich auf der anderen Seite der Grenze. Das CERN ist keine Schweizer Institution, sondern eine internationale Organisation.

Was bedeutet die Abkürzung CERN?

Der Name CERN leitet sich vom französischen „Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“ (Europäischer Rat für die Kernforschung) ab. Tatsächlich redet man meist vom „Forschungszentrum CERN“ oder einfach nur vom „CERN“.

Besteht es aus roten Backsteingebäuden, in denen Wissenschaftler in weißen Kitteln herumlaufen, die Akten durch die Gegend tragen?

Nein, das ist ziemlich weit von der Wirklichkeit entfernt. Die Gebäude des CERN sind zum größten Teil weiß und aus Beton, die Wissenschaftler tragen Alltagskleidung und tragen in den allermeisten Fällen keine Akten mit sich herum.

Wurde das Web tatsächlich am CERN erfunden?

Ja, tatsächlich, das Web kommt vom CERN und wurde dort 1989 von Tim Berners-Lee erfunden.

Existiert Antimaterie?

Ja, und sie wird routinemäßig am CERN hergestellt. Antimaterie wurde 1928 von Paul Dirac vorhergesagt und kurz darauf von Carl Anderson entdeckt. Auch an anderen Instituten wie der GSI in Darmstadt wird Antimaterie erzeugt und untersucht.

Wie wird Antimaterie aufbewahrt?

Es ist sehr schwierig, Antimaterie aufzubewahren, denn jeder Kontakt zwischen einem Teilchen und seinem Anti-Teilchen führt zu ihrer sofortigen Zerstörung („Annihilation“).

Wenn es sich um elektrisch geladene Antimaterieteilchen handelt, kann man sie in sogenannten „elektromagnetischen Fallen“ aufbewahren. In einer solchen Falle können bis zu 1012 (eine Billion) Teilchen der gleichen Ladung gehalten werden. Da Ladungen sich aber gegenseitig abstoßen, ist es nicht möglich, größere Mengen Antiprotonen darin zu halten, da die Abstoßungskräfte zwischen ihnen so stark werden, dass die elektromagnetischen Felder sie nicht mehr von den Wänden fernhalten können.

Noch schwieriger ist die Situation für elektrisch neutrale Antiteilchen oder ganze Antiatome. Es ist nicht möglich, sie mit konstanten elektrischen oder magnetischen Feldern einzuschließen, da diese Felder überhaupt keine Wirkung auf neutrale Teilchen haben. Wissenschaftler arbeiten an Ideen, „magnetische Flaschen“ zu verwenden, in denen stark inhomogene Magnetfelder am sogenannten magnetischen Moment der Teilchen angreifen, oder aber „optische Fallen“ mit Laserlicht zu verwenden. Diese Methoden sind noch in der Entwicklung.

Für was kann man Antimaterie verwenden?

Antielektronen (Positronen) werden schon heute in „PET-Scannern“ in der Medizin verwendet. PET steht für „Positronen-Emissions-Tomographie“ und ist ein modernes Bildgebungsverfahren. Eines Tages wird es wohl auch möglich sein, Antiprotonen zur Tumorbestrahlung in der Krebsbehandlung einzusetzen.

Die Antimaterie, die am CERN verwendet wird, wird aber hauptsächlich dazu verwendet, Grundlagenforschung zu betreiben. Die Arbeit konzentriert sich dabei auf Fragen der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Das LHCb-Experiment zum Beispiel wird den Zerfall von b-Quarks und anti-b-Quarks ganz genau untersuchen.

Gibt es Atome aus Antimaterie?

Ja. Das Team am PS210-Experiment am CERN konnte 1995 erstmals Antiwasserstoff-Atome herstellen. In 2002 wurden an den Experimenten ATHENA und ATRAP zehntausende von Anti-Wasserstoff-Atomen hergestellt, später sogar Millionen davon. Obwohl „zehntausende“ nach sehr vielen klingt, ist das in Wahrheit eine sehr sehr kleine Menge. Man benötigt 10 Billiarden (10.000.000.000.000.000) mal diese Menge, um auch nur einen Luftballon mit Antiwasserstoff-Gas füllen zu können. Wenn das CERN auf irgendeine Art schaffen würde, die gesamte Antiwasserstoff-Produktion zu speichern, dann würde es mehrere Milliarden Jahre dauern, einen Ballon zu füllen – das Universum existiert aber erst sein 13,7 Milliarden Jahren. Das Illuminati-Szenario mit einer Antimateriebombe ist also reine Fiktion.

Können wir Antimaterie als Energiequelle verwenden? Können wir damit Autos antreiben, oder kann sie nur für Kraftwerke genutzt werden?

Es gibt keine Möglichkeit, Antimaterie als Energiequelle zu nutzen. Anders als Sonnenenergie, Kohle oder Öl kommt Antimaterie nicht natürlicherweise auf der Erde vor. Wir müssen jedes einzelne Antiteilchen erzeugen und dabei viel mehr Energie einsetzen als wir aus der Annihilation gewinnen können.

Man kann sich Antimaterie als Speichermedium für Energie vorstellen, etwa so, wie man Energie in Akkus speichert. Das Akkuladen und -entladen ist ein umkehrbarer Prozess mit recht geringen Verlusten. Trotzdem muss man mehr Energie in den Akku hereinstecken als man später wieder herausbekommt.

Die Ineffizienz der Antimaterieproduktion ist enorm: Man bekommt nur ein Zehnmilliardstel (10-10) der hineingesteckten Energie wieder heraus. Wenn wir alle bisher am CERN erzeugten Antiteilchen sammeln könnten und mit Materie annihilieren würden, könnte man damit eine Glühbirne für ein paar Minuten zum Leuchten bringen.

Also ist noch mehr Forschung notwendig, damit Antimaterie unsere Energieprobleme lösen kann?

Nein, noch nicht einmal mehr Forschung wird die Situation nennenswert ändern. Antimaterie wird ganz sicher nicht unsere Energieprobleme lösen. Zum einen benötigt man Energie gemäß Einsteins berühmter Gleichung \(E=mc^2\) um Antimaterie zu erzeugen, und erhält nur viel weniger zurück (s.o.).

Zum anderen entstehen bei der Antimaterieproduktion weitere Teilchen, die teilweise sehr kurzlebig sind oder nicht handhabbar (Myonen, Pionen, Neutrinos). Diese Teilchen zerfallen oder entkommen, sodass ihre Energie verloren geht.

Antimaterie könnte nur dann eine Energiequelle sein, falls man irgendwo eine große Menge davon finden würde. Aber soweit wir sehen können, ist das Universum komplett aus normale Materie aufgebaut und Antimaterie muss mühsam erzeugt werden.

Übrigens, dass das Universum nur aus Materie besteht, zeigt, dass sich Materie und Antimaterie bei ganz hohen Energien wie sie beim Urknall herrschten nicht komplett symmetrisch verhalten. Sonst hätte es genauso viel Antimaterie wie Materie geben müssen. Die zukünftige Forschung wird uns hoffentlich erklären, wie es zu dieser Asymmetrie kommt.

Kann man Antimateriebomben herstellen?

Nein. Es würde Milliarden von Jahren dauern, genug Antimaterie für eine Bombe herzustellen, die so stark wäre wir typische Wasserstoffbomben (von denen es schon mehr als zehntausend gibt).

Sozioligische Randbemerkung: Wissenschaftler wussten schon lange vor der ersten Explosion einer Atombombe, dass der Bau einer solchen Bombe praktisch möglich ist. Die Öffentlichkeit war hingegen völlig überrascht. Andererseits erwartet die Öffentlichkeit eine Antimateriebombe, während Wissenschaftler schon sehr lange wissen, dass sie in der Praxis nicht gebaut werden kann.

Warum berichten die Medien nicht über Antimaterie?

Die Medien berichten darüber, aber hauptsächlich in der wissenschaftlichen Fachpresse. Antimaterie ist nichts neues, Antiteilchen sind seit über 75 Jahren bekannt und werden seitdem auch untersucht. Relativ neu ist die Möglichkeit, Antiwasserstoff zu produzieren, aber dies ist eben nur wissenschaftlich relevant.

Ist Antimaterie wirklich zu 100 Prozent wirksam?

Das kommt darauf an, wie man wirksam versteht. Nimmt man je ein Stück Materie und Antimaterie, beide von der Masse ½m, dann wird sie bei Kontakt tatsächlich gemäß \(E=mc^2\) zu 100 Prozent in Strahlungsenergie umgewandelt.

Aber das ist nicht der entscheidende Punkt. Wie viel Aufwand braucht man, um m/2 Gramm Antimaterie herzustellen? Nun, theoretisch wieder \(E=mc^2\) , weil die Hälfte der Energie in normale Materie geht. Man gewinnt also nichts. Da aber der Erzeugungsprozess von Antimaterie so ineffizient ist (s.o.), ist es mehr wie kochen über einem Lagerfeuer: Ein Großteil der Energie, um die Antimaterie zu erzeugen, geht in andere Teilchen, genauso wie der größte Teil der Lagerfeuerenergie ungenutzt im Nachthimmel verpufft.

Wird die Antimaterie am CERN so hergestellt wie in Illuminati beschrieben?

Nein. Die Produktion von Antimaterie am CERN ist überhaupt nicht so wie dort beschrieben. Man kann nicht neben dem LHC stehen und sie herauskommen sehen, insbesondere deshalb, weil der LHC erst im Herbst 2009 den Betrieb aufnehmen wird.

Um Antiprotonen herzustellen, werden Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (genauer, mit der Energie von etwa 25 GeV) auf einen Metallblock (z.B. Kupfer oder Wolfram) geschossen. Bei diesen Kollisionen entstehen sehr viele Teilchen, von denen einige Antiprotonen sind. Nur die Antiprotonen sind gewünscht, mehr noch, von ihnen nur die, die in eine bestimmte Richtung fliegen. Hier sieht man wieder den Energieverlust: Die Antimaterieproduktion ist wie das Gießen eines Blumentopfs in einem Garten, der nur eine Rasensprenganlage für den ganzen Garten hat.

Hat das CERN einen Teilchenbeschleuniger, der 27 Kilometer lang ist?

Ja. Der LHC-Beschleunigerring hat einen Umfang von 27 Kilometern. Er befindet sich in einem Tunnel, der rund einhundert Meter unter der Erde verläuft.

Warum wird Antimaterie hergestellt?

Der Hauptgrund ist die Grundlagenforschung. Die aktuellen physikalischen Modelle sagen einige interessante aber schwer zu messende Eigenschaften von Antimaterie vorher. Wenn die Experimente diese Vorhersagen nicht bestätigen, dann müss die Modelle verbessert werden. So funktioniert wissenschaftlicher Forschritt.

Ein anderer Grund ist, möglichst hohe Energiedichten bei der Kollision von Materie und Antimaterie zu erhalten. Dies gelingt, da sich Materie und Antimaterie bei Kontakt komplett zu Energie umwandeln, „annihilieren“. Aus dieser Annihilationsenergie können andere interessante Teilchen generiert werden. Auf diese Art funktionierte der Vorgänger des LHC, der LEP-Beschleuniger, und das Tevatron am Fermilab nahe Chicago nutzt noch heute diese Technik.

Wie kommt Energie aus Antimaterie?

Wenn Materie und Antimaterie aufeinander treffen, dann zerstrahlen sie in einem sehr konzentrierten Blitz von reiner Energie, aus dem wiederum neue Teilchen und Antiteilchen entstehen. Die Anzahl und Masse der Produkte hängt von der zur Verfügung stehenden Energie ab.

Die Annihilation von Elektronen und Positronen bei niedriger Energie produziert lediglich zwei oder drei hochenergetische Photonen (Lichtteilchen). Wenn die Annihilation aber bei hoher Energie stattfindet, können hunderte von Teilchen-Antiteilchen-Paaren erzeugt werden. Der Zerfall dieser Teilchen erzeugt unter anderem Neutrinos, die praktisch gar nicht mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung treten – nicht sehr nützlich zur Energiegewinnung.

Wie sicher ist Antimaterie?

Absolut sicher, betrachtet man die geringen Mengen, die erzeugt werden können. Es wäre gefährlich, einige Gramm zu haben, aber die Erzeugung davon würde Milliarden von Jahren dauern.