Die wahre Geschichte der Antimaterie · Antimaterie kann kein perfektes Spiegelbild der Materie sein Sonst g¨abe es uns nicht, denn dann h¨atte sich die Materie und die Antimaterie

Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die wahre Geschichte derAntimaterie

Philip Bechtle

8. Juli 2009

Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 1

Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Handlung des Films

Antimaterie wird vom LargeHadron Collider (LHC) amCERN gestohlen und im Vatikanversteckt

Der Countdown zur Zerstorungdes Vatikans lauft und einWettlauf mit der Zeit querdurch Rom beginnt.


Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN – Hollywood-Version


Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN – Wie es wirklich ist

In der Nahe von Genf, auf der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich

Und man kann es besuchen – nichts ist “top secret”, alle Resultate sindoffentlich und frei zuganglich


Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN – Schone Lage . . .

Und mit gewaltigen und hoch komplexen wissenschaftlichen Experimnten:


Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN

EuropaischesForschungszentrum furTeilchenphysik

Gegrundet 1954

20 Mitgliedsstaaten

2500 Angestellte

8000 Wissenschaftler vonanderen Institutionen

85 Nationalitaten

Etwa 1000 deutscheWissenschaftler


Die wahre Geschichte der AntimaterieDer Large Hadron Collider – Hollywood-Version


Die wahre Geschichte der AntimaterieDer Large Hadron Collider – echter Kontrollraum


Die wahre Geschichte der AntimaterieEs gibt sogar Iris-Scanner . . .


Die wahre Geschichte der AntimaterieDer echte Large Hadron Collider (LHC)

Der leistungsstarkste Teilchenbeschleuniger der Welt27km lang, 100m unter der Erde


Die wahre Geschichte der AntimaterieDer echte Large Hadron Collider (LHC)

Der LHC bringt Teilchen zurKollision . . .

. . . um einige der großtenRatsel des Universums zu losen


Die wahre Geschichte der AntimaterieDas echte ATLAS-Experiment

Die schnellste und großte Digitalkamera der Welt:







40 Millionen Bilder pro Sekunde,entspricht der Datenmenge von 250 000 DVDs pro Sekunde


Die wahre Geschichte der AntimaterieZiele der Experimente am LHC

Was sind die fundamentalstenBausteine der Materie?

Wie wechselwirken diese Bausteinemiteinander?

Woher stammt die Masse der Teilchen?

Was ist die Struktur von Raum undZeit?

Was ist dunkle Materie?

Wie verhalt sich Antimaterie imVergleich zur Materie?


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie

Es gibt sie wirklich!

Sie wird am Large Hadron Colliderproduziert

Eine sehr große Menge an Antimateriekonnte sogar ganz Rom zerstoren . . .

Was genau ist Antimaterie und wassind ihre Eigenschaften?


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie

Es gibt sie wirklich!

Sie wird am Large Hadron Colliderproduziert

Eine sehr große Menge an Antimateriekonnte sogar ganz Rom zerstoren . . .

Was genau ist Antimaterie und wassind ihre Eigenschaften? ?


Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und ihre Bausteine

Von hier . . .



. . . nach da:



Wir kennen 12 fundamentale Teilchen

Quarks Leptonen



Wir kennen 4 verschiedene Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen,z.B. die elektromagnetische Wechselwirkung

Austausch von Photonen (γ)

Rau

m �γ

e−

e−

e−

e−

Zeit


Die wahre Geschichte der AntimaterieWoraus besteht das sichtbare Universum?

Alles Material, das uns im Alltag umgibt, aus dem die Erde und diePlaneten, die Sonne, alle anderen Sterne und alle Galaxien aufgebaut sind,besteht nur aus Materie, und zwar ausschließlich aus diesen Bausteinen:

Protonen:

Elektronen

Neutronen






Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und Antimaterie

Zu jeder Sorte Teilchen gibt es eine Sorte Antiteilchen

Teilchen Antiteilchen

Warum das?


Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Geschichte der Antimaterie

Als theoretisches Konstrukt postuliert vonP.A.M. Dirac im Jahr 1928

Entdeckt 1933 von Carl Anderson undSeth Neddermeyer, erzeugt von kosmischerStrahlung


Die wahre Geschichte der AntimaterieRaum und Zeit

Fur uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt:

Wir konnen uns vorwarts und ruckwarts im Raum bewegen

RaumAber wir konnen uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen:

Zeit



Fur uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt:

Wir konnen uns vorwarts und ruckwarts im Raum bewegen

RaumAber wir konnen uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen:

ZeitDas kann ganz schon nervig sein . . .



. . . weil man in der Zeit mal eben nicht zuruck gehen kann, um etwas zureparieren . . .


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie und Zeit

Dirac fand heraus, daß sich das Verhalten der Elementarteilchen sehr gutbeschreiben laßt, wenn man annimmt, daß es zwei verschiedene

Verhaltensweisen der Teilchen in der Zeit gibt:

Materie:

ZeitAntimaterie:

Zeit


Die wahre Geschichte der AntimaterieSo ein Verhalten ist attraktiv, weil . . .

Diese Sicht der Natur ist hoch symmetrisch, und PhysikerInnen mogenSymmetrie!

Elektron wechselwirktmit Photon:�γ

e−

e−

Photon erzeugt Materieund Antimaterie:

�γ∗

e−

e−

Materie undAntimaterie

verschwindet:

� γ∗

e−

e−


Die wahre Geschichte der AntimaterieRuckwarts in der Zeit oder nur ein anderes

Ladungsvorzeichen?Andererseits ist ein sich ruckwarts in der Zeit bewegendes negativ geladenesTeilchen nichts anderes als ein sich vorwarts in der Zeit bewegendes positiv

geladenes Teilchen:

Elektron ruckwarts in der Zeit:� e−

e−

Positron vorwarts in der Zeit:� e+

e+


Die wahre Geschichte der AntimaterieRuckwarts in der Zeit oder nur ein anderes

Ladungsvorzeichen?Andererseits ist ein sich ruckwarts in der Zeit bewegendes negativ geladenesTeilchen nichts anderes als ein sich vorwarts in der Zeit bewegendes positiv

geladenes Teilchen:

Elektron ruckwarts in der Zeit:� e−

e−

Positron vorwarts in der Zeit:� e+

e+

Also ist ein Positron, das Antiteilchen des Elektrons, nichts anderes als einElektron mit positiver Ladung


Die wahre Geschichte der AntimaterieAber . . .

Was ist eigentlich vorwarts und was ist ruckwarts?Oder was ist positiv und was negativ?Oder was ist links und was ist rechts?


Die wahre Geschichte der AntimaterieAber . . .

Was ist eigentlich vorwarts und was ist ruckwarts?Oder was ist positiv und was negativ?Oder was ist links und was ist rechts?

Antimaterie als perfektes Spiegelbild der Materie?


Die wahre Geschichte der AntimaterieKonnen wir Antimaterie herstellen?

Wir tun dies routinemaßig im Labor:

γ∗

e−

e+


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie in der Natur

Auch in der Natur wird standig Antimaterie erzeugt:



Anti Tom Hanks wurde ziemlichgenauso aussehen

wie . . .

Tom Hanks



Doch wenn sie aufeinandertreffen . . .

γ∗

e−

e+



Doch wenn sie aufeinandertreffen . . .

� γ∗

e−

e+

E = mc2


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie in Illuminati

Rom wird von einem Viertelgramm Antimaterie bedroht

Die Reaktion zwischen einem Viertelgramm Materie und einemViertelgramm Antimaterie entspricht 10 Kilotonnen TNT

Zum Vergleich: Die Hiroshima-Bombe hatte eine thermische Energievon etwa 15 Kilotonnen TNT-Aquvalent

Mehr als genug, um den Vatikan und ganz Rom zu zerstoren . . .


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie im Labor ist sicher

Wir stellen nur sehr wenig Antimaterie her

Wahrend eines Jahres produzieren wir etwa 0.000 000 001 g Antimaterie

Wir wurden 250 Millionen Jahre brauchen, um ein viertel GrammAntimaterie herzustellen


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie im Labor ist sicher

Man kann Antimaterie nicht so einfach transportieren oder speichern


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie ist ziemlich nutzlos als . . .

. . . Energiequelle, denn:

Jedes Antiteilchen muß einzeln hergestellt werden

Das verbraucht mehr Energie, als nachher herauskommt

Sie kann nur schwer gespeichert werden

Sie kann quasi nicht transportiert werden


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie kann aber auch sehr nutzlich sein!

Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffenin einer Explosion vernichten.


Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie kann aber auch sehr nutzlich sein!

Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffenin einer Explosion vernichten.

Was wurden Sie sagen, wenn Ihnen jemand vorschlagen wurde, gezielt undabsichtlich Antimaterie in Ihren Korper (der ja wie alles um uns herum aus

Materie besteht) zu tun?


Die wahre Geschichte der AntimateriePositron-Emissions-Tomographie


Die wahre Geschichte der AntimaterieWir verwenden Antimaterie . . .

. . . Um einige der großten Ratsel des Universums zu losen:

Was verursacht die Masse der Elementarteilchen?

Woraus besteht das Universum hauptsachlich?

Was ist die Struktur von Raum und Zeit?

Warum gibt es uberhaupt so viel Materie und so wenig Antimaterie imUniversum?

. . .


Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Suche nach Antworten . . .

. . . erfolgt in Teilchenphysik-Laboren auf der ganzen Welt:


Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Suche nach Antworten . . .

. . . und in enger Kooperation mit diesen Forschungszentren anUniversitaten in ganz Deutschland


Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Untersuchung der Antimaterie

Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direktenVergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center



Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direktenVergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center



Was wird in diesen Experimenten gemessen?

Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen



Was wird in diesen Experimenten gemessen?

Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen

Was ware, wenn beide Pendel immer gleichmaßig schwingen wurden?


Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie im (Zerr-)Spiegel


Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Entwicklung des Universums

Antimaterie kann kein perfektesSpiegelbild der Materie sein

Sonst gabe es uns nicht, denndann hatte sich die Materie unddie Antimaterie fast vollstandiggegenseitig vernichtet: KeineGalaxien, Sonnen, Planeten, etc.

Wir messen einen winzigenUnterschied zwischen Materieund Antimaterie, der zu klein istfur die Erklarung unsererExistenz


Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Entwicklung des Universums

Antimaterie kann kein perfektesSpiegelbild der Materie sein

Sonst gabe es uns nicht, denndann hatte sich die Materie unddie Antimaterie fast vollstandiggegenseitig vernichtet: KeineGalaxien, Sonnen, Planeten, etc.

Wir messen einen winzigenUnterschied zwischen Materieund Antimaterie, der zu klein istfur die Erklarung unsererExistenz


Die wahre Geschichte der AntimaterieAufklarung am LHC?

Wir wissen nicht, ob die nachste Generation unser Experimente am LHCuns eine Antwort liefert


Die wahre Geschichte der AntimaterieAufklarung am LHC?

Wir wissen nicht, ob die nachste Generation unser Experimente am LHCuns eine Antwort liefert

denn wenn wir die Antwort schon wußten, dann mußten wir dieExperimente nicht machen.


Die wahre Geschichte der AntimaterieEine Frage zum Schluß

Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verlauft?







Nur die Zunahme des Chaos bestimmt unser Zeitempfinden . . .


Die wahre Geschichte der AntimaterieIhre personliche Sicht der Geschichte des

Universums

Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere Korperbestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt

Kaum ein Atom in uns ist junger als 4.5 Milliarden Jahre

Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburtbeteiligt

Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der erstenSterne

Jeder von uns war einmal uber eine Million Lichtjahre verteilt


Die wahre Geschichte der AntimaterieIhre personliche Sicht der Geschichte des

Universums

Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere Korperbestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt

Kaum ein Atom in uns ist junger als 4.5 Milliarden Jahre

Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburtbeteiligt

Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der erstenSterne

Jeder von uns war einmal uber eine Million Lichtjahre verteilt

Obwohl wir schon so lange da sind und so unbeschreiblich viel gelernthaben:

Warum es uns (und die ganze Materie um uns herum) uberhaupt nochgibt beginnen wir gerade erst zu verstehen


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