Antimaterie

Fakultät Mat/Nat Fachrichtung Physik Institut für Kern- und Teilchenphysik

Kai-Thomas Brinkmann , 17. November 2007

• Antimaterie populär

• Antimaterie wissenschaftlich betrachtet

� Historisches

� Antiteilchen

� Eigenschaften von Antiteilchen

� Vorkommen von Antimaterie

� Antiteilchen als Forschungsgegenstand

� Forschung mit Antimaterie

Antimaterie populär

Antimaterie ist seit 50 Jahren unverzichtbar ... in der Science Fiction

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Antimaterie ergibt

- Raumschiffantriebe (oft FTL)

- Anti-Universen

- Waffen

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Antimaterie populär

Antimaterie wissenschaftlich betrachtet5KTB, 11/17/07

Antimaterie populär

Antimaterie wissenschaftlich betrachtet6KTB, 11/17/07

Antimaterie wissenschaftlich betrachtet

Dirac, 1928 Erweiterung der Quantenmechanik von Fermionen auf relativistische Phänomene

� Lösungen mit positiver und negativer Energie

Paul A.M. Dirac (1902-1984)

Nobelpreis 1933

22222 mpEmpE +±=⇒+=

ee--

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Ort

mE >

mE −<

theoretische Vorhersage eines Teilchens mit der Masse des Elektrons, aber positiver Ladung

E = 0

Deutung (1931):

“c = 1“

Paul A.M. Dirac

ee--

ee++

ee --

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

ee

--

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

E = 0

E

Ort

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E b -m

E r m

“c = 1“

Anderson, 1932

Experimenteller Nachweis von Antielektronen (≡Positronen) mit kosmischer Strahlung

Carl D. Anderson (1905-1991)

Nobelpreis 1936

Victor F. Hess (1883-1964)

Nobelpreis 1936

B�

6 mm Blei

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Carl D. Anderson

Nachweis von

γ („Energie“) → e+ e-

Pb

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Antimaterie physikalisch

Weitere Highlights in der Suche nach Antiteilchen

1955 O.Chamberlain, E.Segrè, C.Wiegand, T.Ypsilantis

Erzeugung und Nachweis von Antiprotonen

Nobelpreis 1959

1956 Piccioni et al.: Antineutron

1965 Zichichi et al.: Antideuteron

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Teilchen und Antiteilchen

Jedem Teilchen ist ein Antiteilchen zugeordnet.

http://www.cpepweb.org/cpep_sm_large.html

Gravitation (?)

Fermionen (halbzahliger Spin) können nur zusammen mit ihren Antiteilchen erzeugt / vernichtet werden.

Für Bosonen (ganzzahliger Spin) gilt das nicht.

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p(uud) �

(�ʉʉ)

Alle (bekannten) Teilchen ergeben sich mit wenigen Konstruktionsregeln aus diesem Baukasten.

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1955 O.Chamberlain, E.Segrè, C.Wiegand, T.Ypsilantis

Erzeugung und Nachweis von AntiprotonenNobelpreis 1959

Nachweis von Antiprotonen

�p→ π+π- π+π- π+π- π+π-

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p(uud) �

(�ʉʉ)

π+π

0π

-

(u� uʉ dʉ)

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p(uud) �

(�ʉʉ)

6γ16KTB, 11/17/07

Anwendung: PET (Positronenemissionstomografie)

ee--

ee++

Positronen entstehen in

Zerfällen von Radioisotopen

z.B. 11C, 13N, 15O, 18F geeignet zur Herstellung von Markern

νν

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http://imbie.meb.uni-bonn.de/epileptologie/staff/lehnertz/NukMed5.pdf

http://imbie.meb.uni-bonn.de/epileptologie/staff/lehnertz/NukMed5.pdf19KTB, 11/17/07

Antiteilchen und Antimaterie

Materie entsteht durch die (elektrisch neutrale) Bindung von Teilchen in Atomen.

Existiert dazu eine „Antiwelt“?

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Suche im Kosmos

Im Urknall:

q/� etc. im Gleichgewicht

� Materie und Antimaterie gleich häufig!

ODER?

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Suche in kosmischer Strahlung

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Suche in kosmischer Strahlung

AMS

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Suche im Universum

Materie, wo man hinsieht!

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Suche im Kosmos

ÜBERRASCHUNG!

Im Urknall:

q/� etc. im Gleichgewicht

Heute:

q noch da, � nicht!

Wenn man genau guckt:

q/� = 1 / (1-10-9)

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Antiteilchen als Forschungsgegenstand

Es gibt experimentelle Hinweise auf eine Asymmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen aufgrund der Schwachen Wechselwirkung

Dieser Effekt wird CPCP-Verletzung genannt.

CC macht aus einer Ladung eine Antiladung

P macht aus einem Teilchen sein Spiegelbild

Zusammen

(Das entspricht übrigens nach heutiger Vorstellung auch TT, der Zeitumkehr!)

ee--

ee--

ee++CC

ee--PP

ee--

ee++CPCP

KK ��CPCP26KTB, 11/17/07

Antiteilchen und Antimaterie

Materie entsteht durch die Bindung von Teilchen zu (elektrisch neutralen) Atomen.

Antimaterie: Erstmal Antiwasserstoff!

Dazu muss man Antiprotonen mit Antielektronen zusammenbringen.

Dies gelang erstmals 1996 am CERN.

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Oelert et al., 1995

PS 210

Produktion von (11±2) Ħ in vielen Wochen am Beschleuniger

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Quelle der Antiprotonen sind dabei leistungsfähige Beschleuniger, z.B. der CERN-Komplex.

Experimente:

ATHENA (Antihydrogen Production and Spectroscopy)

ATRAP (Production and Study of Cold Antihydrogen)

ASACUSA (Atomic Spectroscopy and Collisions Using Slow Antiprotons)

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Moderne Experimente erzielen erheblich höhere Wirkungsgrade.

Herstellung und Speicherung vieler Tausend Ħ in Experimenten mit „Fallen“.

Damit lassen sich viele Fragen zur Symmetrie von Materie und Antimaterie untersuchen.

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ee++

pp

��

ee--

E

g.s.

E

g.s.

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ATHENA

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Antimaterie

ATHENA HĦ→ π+π- π+π- γγ

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Speicherung und Untersuchung kalter „Gase“ von Ħ in Experimenten mit „Fallen“.

Nächste Schritte mit Antimaterie

Nächste Generation von Quellen für Antiprotonen

mit noch höheren Produktionsraten

für fundamentale Experimente mit kalten Antiprotonen

für Experimente mit Antiprotonen bei sehr hohen Energien als Sonde für die Herstellung bisher unbekannter Teilchen in �pbei hohen Energien

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KTB, Sep 09, 2007KTB, Sep 09, 2007 3838

Ausbau der GSI-Anlagen mit Blick auf:

• höchste Intensitäten

• höchste Brillanz

• höhere Strahlenergien

• höchste Strahlleistung

• parallelen Betrieb für verschiedene Experimente

• Produktion sekundärer Strahlen hoher Qualität

KTB, Sep 09, 2007KTB, Sep 09, 2007 3939

http://www.gsi.de/fair/

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http://www.gsi.de/fair

SekundSekundääre Strahlen re Strahlen --AntiprotonenAntiprotonen

29 GeV Protonen auf Cu (oder Ir) Ausbeute: 3,5·10-6 Antiprotonen bei 3,5 GeV/c

(8·107 pro Puls von 2·1013 p)

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EM calorimeter

IP

driftchambers

DIRC Cherenkov

TOF system

µ counters

MVD

Solenoid

Dipole

EM/hadroncalorimeter

�

RICH

central tracker

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Bali et al.,

NP Proc.Suppl. 63(97)209

DIK collaboration, V.G. Bornyakov et al., PRD 70, 054506 (2004)

Derek B. Leinweberhttp://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/Nobel/

Design features:• 5 layers forward of 90°• Barrel and forward disk structures• Pixels and double-sided strips

• Smallest possible inner radius• Fast readout

Micro-Vertex Detector

� beam

10 cm

pellet or cluster jet target

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KTB, May 15, 2007 46

Strip Sensors Strip Sensors –– Test StationTest Station

double-sided sensor “telescope” ITCirst, 20x20 mm2 50 µm pitch

front-end APV25 S1

~350 Physiker aus 47 Instituten in 16 Ländern

Basel, Beijing, Bochum, Bonn, IFIN Bucharest, Catania,

Cracow, Dresden, Edinburg, Erlangen, Ferrara, Frankfurt,

Genova, Giessen, Glasgow, KVI Groningen, GSI, Inst. of

Physics Helsinki, FZ Jülich, JINR, Katowice, Lanzhou, LNF,

Mainz, Milano, Minsk, TU München, Münster, Northwestern,

BINP Novosibirsk, Pavia, Piemonte Orientale, IPN Orsay, IHEP

Protvino, PNPI St. Petersburg, Stockholm, Dep. A. Avogadro

Torino, Dep. Fis. Sperimentale Torino, Torino

Politecnico,Trieste, TSL Uppsala, Tübingen, Uppsala,

Valencia, SINS Warsaw, TU Warsaw, AAS Wien

Austria – Belaruz - China - Finland - France - Germany – Holland - Italy – Poland –Romania - Russia – Spain - Sweden – Switzerland – U.K. – U.S.A.

Die �ANDA-Kollaboration

http://www.gsi.de/panda

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