Antimaterie und Antiwissen

Ein Antibrief an eine Antiwelt

Grazyna Fosar

Spätestens seit dem Bestseller „Illuminati“ von Dan Brown ist Antimaterie „in“. Das Rätsel dieses ebenso geheimnisvollen wie potentiell gefährlichen Gegenpols zu unserer gewohnten Materie wirft viele Fragen auf. Ist Antimaterie eine Bedrohung für unsere Welt (so wie Dan Brown es darstellt)? Kann man sie eines Tages als Waffe benutzen oder als unerschöpfliche Energiequelle? Vielleicht als Treibstoff für Raumschiffe der Zukunft?

Die spannendste aller Fragen ist jedoch: Gibt es womöglich eine zu uns gespiegelte Welt, in der Antimaterie „normal“ und unsere Materie sozusagen „anti“ ist? Durch die Mystery-Serie „Fringe“ ist auch das Denkmodell paralleler Welten populär geworden.  In der Regel sind derartige Parallelwelten nicht aus Antimaterie aufgebaut, sondern ganz ähnlich zu unserer, nur durch eine winzige Dimensionsbarriere von uns getrennt. Ein Mensch könnte also durch ein hypothetisches Tor in eine solche Parallelwelt eintreten, ohne sich dabei in Strahlung aufzulösen, da es auf beiden Seiten den gleichen Typ Materie gibt. Man könnte also bei einer derartigen Dimensionsreise gefahrlos jemandem die Hand schütteln.

Doch auch die Möglichkeit der Existenz sogenannter Spiegelwelten, die aus Antimaterie aufgebaut sind, wird in der Wissenschaft durchaus diskutiert. Unter bestimmten Bedingungen würden, wie man heute weiß, in einer solchen Welt sogar die gleichen physikalischen Gesetze gelten wie bei uns. Wäre ein Kontakt zu einer solchen Spiegelwelt möglich? Wäre er eventuell sogar gefährlich?

Ein Wissenschaftlerkollege hat sich mit diesen Fragen auseinandergesetzt, indem er einen „Antibrief“ an die „Antiwelt“ geschrieben hat.

Antibrief an die Antiwelt

Liebe Kollegen Antiforscher in der Antiwelt!

Ich bin ein Bewohner der Erde und lebe in der Welt der Materie, die Sie vermutlich sehr eifrig versuchen zu erforschen. Bei uns ist schon seit langem bekannt, daß es so etwas wie Antimaterie im Universum gibt.

Ihre Berührung mit unserer Materie kann zwar zu einer heftigen Explosion führen, doch auch auf unserem Planeten gibt es Antimaterie, in sehr kleinen Mengen, und bis jetzt schadet sie uns nicht. Ich nehme an, so ähnlich wird es auch bei Ihnen sein, oder?

Damit wir uns gut verstehen – oder nicht verstehen –, habe ich mich entschlossen, mit einer Definition anzufangen.

Hier bei uns definiert man Antimaterie auf solche Art und Weise:

Antimaterie ist Materie, die aus Antiteilchen aufgebaut ist. Materie dagegen besteht aus „normalen“ Teilchen. Im weiteren Sinn besteht Antimaterie aus Atomen oder Molekülen mit Atomhüllen aus Positronen und Kernen aus Antiprotonen und ggf. Antineutronen.

Zum Beispiel ist ein antimaterieller Partner des Elektrons (mit negativer elektrischer Ladung) ein Positron, ein Teilchen, das positiv geladen ist.Das Konzept der Antiteilchen ergibt sich aus der Quantenfeldtheorie. Darin existiert aus Symmetriegründen zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen, welches in seinen additiven Quantenzahlen dem Teilchen entgegengesetzt ist. Die additiven Quantenzahlen sind z.B. Ladung (elektrische und andere), Baryonenzahl, Leptonenzahl usw.

Zur Zeit herrscht in unserer Welt noch ein ziemlich großes Chaos im Bereich der Teilchenphysik. Es gibt Hypothesen, wonach sich Antiteilchen rückwärts in der Zeit bewegen können. Wir sehen auch deutlich, daß in unserer Welt der Teilchen etwas nicht in Ordnung ist. Die Experimente am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab in Batavia (Illinois) haben sich genauer mit der Auswertung von Protonen-Antiprotonen-Reaktionen beschäftigt. Es wurde dabei eine bisher unbekannte CP-Verletzung entdeckt (zu Deutsch: Ladung/Paritäts-Verletzung). Man hat einen Überschuß an Myonen gegenüber den Antimyonen (1%) festgestellt. Manche meiner Kollegen bekamen deswegen eine Gänsehaut, es ist echt spannend!

Ich hoffe, daß Sie in Ihrer Antiwelt schon weiter sind und etwas schlüssigere Theorien haben oder sogar etwas anderes… Anti-Besseres J. Wie könnte man z.B. eine Art „Stöpsel“ bauen, der mit Hilfe der elektromagnetischen und Gravitationskräfte ein Fenster zu Ihrer Welt erzeugen könnte, wobei natürlich der ganze Prozeß kontrolliert verlaufen soll und eine Annihilationsbarriere hätte?

Wie ich schon sagte, Antimaterie kommt auch auf der Erde vor. Unter anderem erscheinen bei uns Antiteilchen z.B. als Ergebnis des natürlichen Zerfalls radioaktiver Elemente oder dank des Eindringens kosmischer Strahlung in unsere irdische Atmosphäre. Man kann mit Sicherheit sagen, daß uns die Antimaterie hier auf der Erde nicht schadet, weil ihre Menge sehr klein ist, es sind eigentlich nur Spuren.

Minimale Mengen an Antimaterie wurden auch in einem unserer Wissenschaftszentren, bei CERN in der Nähe von Genf, produziert. Sind bei Ihnen solche Zentren auch so umstritten wie bei uns?

Na auf jeden Fall ist die „Produktion“ von Antimaterie bei CERN sehr schwer. Seit 30 Jahren versucht man es. Zuletzt wurden insgesamt 309 Anti-Wasserstoffatome nicht nur erzeugt, sondern über 16 Minuten vor dem Zerfall bewahrt. Das war 5000 Mal länger als je zuvor. Wäre es möglich, daß Sie auch ähnliche Probleme mit der Erzeugung unserer Materie haben? Wie können Sie sie aufbewahren? Würde man bei uns nur ein Viertel Gramm Antimaterie aufbewahren wollen, müßte man 10 Milliarden sogenannter „Penning-Fallen“ benutzen. Das sind Vakuumbehälter, in denen eine bestimmte Kombination des elektrischen und magnetischen Feldes vorhanden ist.

Diese Behälter sind in der Lage, die Antimaterieteilchen im Innern gefangen zu halten, so daß es unmöglich ist, daß diese Teilchen sich mit etwas Materiellem verbinden können. Natürlich ist es für uns, auf unserem aktuellen, noch etwas primitiven Wissensstand, nicht möglich, mit einer solchen Menge von Vakuumbehältern zu arbeiten, abgesehen davon, daß die Teilchen auch instabil wären. Ehrlich gesagt sind wir heute nur in der Lage, Antimaterie ein paar Minuten aufzubewahren. Schade. Was sagt Ihr Antiwissen dazu?

Momentan befinden wir uns hier in einer Wirtschaftskrise und haben für die Produktion von Antimaterie kein Geld. A propos – wie sieht Ihr Antigeld aus? Schreiben Sie mir bitte nur nicht, daß es ein „Anti-Euro-Dollar“ ist, ich bin ein Optimist und möchte, wenn möglich, keinen Nervenzusammenbruch erleiden.

Das bekannteste Pärchen zum Thema „Antimaterie“ ist das Paar „Elektron - Positron“.

Viele von uns machen sich schon jetzt Gedanken über die Zukunft, und das führt uns zu einer Frage: Wie kann man Antimaterie nutzen? Schon jetzt benutzt man Antimaterie in der Medizin, um eine genauere Darstellung von Gewebe sichtbar zu machen, z.B. bei der Diagnostik von Tumorzellen. Diese Aufgabe erfüllen die Positronen-Emissions-Tomographen-Scanner, kurz PET. In den menschlichen Körper wird dazu ein radioaktives Isotop eingeführt, das eine kurze Zerfallszeit hat. In den Krebszellen sammeln sich die größten Mengen dieses Isotops, weil für diese Zellen ein größerer Metabolismus charakteristisch ist. Die beim Prozeß des Zerfalls des Isotops erzeugte Antimaterie in Form von Positronen verschwindet zusammen mit Elektronen in den Körperzellen. Es entsteht Gammastrahlung. Ein Ring von Detektoren rund um einen Patienten „liest“ sie und zeigt die genaue Plazierung der Krebszellen. Gut gemacht, nicht wahr?

Wir arbeiten jetzt sogar daran, die Antimaterie auch zur Heilung von Krebszellen zu benutzen. Seit 2003 läuft bei CERN das sogenannte Antiproton Cell Experiment. Man versucht sogar, die Tumorzellen mit Hilfe von Antimaterie zu vernichten. Diese Therapie ist aber noch hochgradig experimentell. Meiner Meinung nach experimentiert unsere Wissenschaft zu viel mit dem menschlichen Körper, man sollte versuchen, sowohl die wissenschaftlichen als auch die natürlichen Methoden im Einklang zur Anwendung zu bringen und nicht nur immer auf das Exotischste und Teuerste schielen. Warum z.B. gibt es kein genaueres Wissen über die Wirkung von Flachs gegen Krebs? Es gibt so manches in meiner materiellen Welt, was mir nicht gefällt.

Was wissen Sie über unsere Materie? Ist Ihr Wissen schon weiter fortgeschritten als unseres über Antimaterie?

So richtig interessant ist für mich eigentlich alles, was wir noch über Antimaterie nicht wissen. Was ist mir ihr nach dem Urknall geschehen (falls es einen gab?). Was für eine Wirkung hat sie auf die Form des uns bekannten Universums? Wenn die Urknalltheorie richtig wäre, hätten Materie und Antimaterie sich am Anfang in gleicher Menge gezeigt. Da die direkte Berührung der ersten mit der zweiten zu einem Prozeß der Annihilation führt, sollten beide theoretisch schon in der ersten Sekunde verschwinden und die Welt mit Lichtstrahlung erfüllen. Die Tatsache, daß wir existieren, beweist, daß das nicht der Fall war. Warum ist die Welt damals nicht untergegangen, und wo ist die Antimaterie geblieben?

In unserer Welt gibt es hauptsächlich Materie und nur ganz wenig  Antimaterie. Diesen Unterschied versuchen die Forscher zu erklären mit einer Asymmetrie in der Welt der Materie und Antimaterie. Ob eine solche Asymmetrie aber tatsächlich existiert?

Bei CERN wird man demnächst versuchen festzustellen ob das Gravitationsgesetz in Einsteins Relativitätstheorie in der Welt der Antiteilchen anders wirkt als in der Welt der Teilchen. Wenn es so wäre, könnte der Mangel an Antimaterie im Universum durch die Asymmetrie in den Gesetzen der Physik erklärt werden.

Meine Frage an Sie lautet: Haben Sie schon eine Erklärung für das Ungleichgewicht der Verteilung von Materie und Antimaterie in Ihrer Welt gefunden?

Materie und Antimaterie trennt ein Spiegel, der nichts zu tun hat mit Magie. Es ist der sogenannte CPT – Spiegel. Er stellt eine besondere Art der Transformation dar, bei der die folgenden Operationen angewendet werden:

C - „Charge“: Umkehr der Ladungen

P - „Parity“: Vertauschen von Rechts und Links in allen drei Raumdimensionen

T - „Time“: Umkehr der Zeitrichtung

Das CPT-Theorem, das von unserem Physiker Wolfgang Pauli formuliert wurde, besagt in kurzen Worten, daß in einem Universum die gleichen physikalischen Gesetze wie bei uns herrschen, wenn man Materie durch Antimaterie vertauscht sowie alle drei Raumdimensionen und die Zeitrichtung spiegelt.

Wenn dieser Spiegel richtig funktioniert, könnte man z.B. sagen, daß in der Antiwelt der Antiwasserstoff ein Spiegelbild unseres Wasserstoffs ist, das Antieisen von unserem Eisen usw. Es würde bedeuten, daß Materie und Antimaterie vollständig symmetrisch sind. Nun wissen wir, daß das nicht der Fall ist. Es stellt sich jetzt die Frage, ob das CPT-Theorem auch einer experimentellen Überprüfung standhält, denn eine Verletzung der CPT-Invarianz könnte eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erklären.

Um meinen Brief an Ihre Antiwelt zu schicken, habe ich mich entschieden, mein Notebook parallel zu einem großen Spiegel zu stellen und den Brief als E-Mail zu senden. Es kann dazu kommen, daß meine Botschaft etwas „verschoben“ wird, falls die Asymmetrie und eventuell der Referenz-Blickwinkel für Abweichungen sorgen. Ich bin mir aber sicher, daß Sie dieses kleine Problem entsprechend lösen können.J

Schließlich hat man auch bei uns schon festgestellt, daß das System Kaonen-Antikaonen eine CP – Verletzung verursacht.

Ich (anti-)grüße Sie herzlich

Ihr Dr. Peter Kollmann