antimaterie vortrag von benjamin spilker universität bielefeld
TRANSCRIPT
![Page 1: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/1.jpg)
Antimaterie
Vortrag von Benjamin SpilkerUniversität Bielefeld
![Page 2: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/2.jpg)
Inhaltsübersicht
• Was ist Antimaterie?• Ihre Geschichte– Vorhersage ihrer Existenz durch Dirac– Nachweis durch Anderson
• Anwendungen– Herstellung– Antrieb / Waffe
• Aktuelle Forschung• Zusammenfassung
![Page 3: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/3.jpg)
Was ist Antimaterie?
Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit identischer Masse und Spin, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen bei der Ladung bzw. bestimmten Quantenzahlen⁰
Ein Antiproton ist zusammen mit einem gebundenen Positron ein Antiatom
Mehrere Antiatome zusammen können als Antimaterie bezeichnet werden
___________________[0] David Halliday. Physik. Wiley-VCH Verlag 2003
![Page 4: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/4.jpg)
Geschichte der Antimaterie
Schrödinger-Gleichung (SG) 1926 war zunächst Höhepunkt der neuen QM¹, aber die spezielle Relativitätstheorie war nicht enthalten
Dirac stellte 1928 Wellengleichung (DG) für Fermionen (insb. Elektronen) auf
Großer Erfolg: Elektronenspin S=½ħ folgte automatisch aus ihr
___________________[1] http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v5.pdf
![Page 5: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/5.jpg)
Paul A.M. Dirac 1902 - 1984
![Page 6: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/6.jpg)
Nachteil der DG: Struktur der Gleichung, 4x4 Matrizen mit Viererspinor { Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4} als Lösung
( 1/c ∂/∂t + ∂/∂x + ∂/∂y + ∂/∂z - i/ħ m) Ψ = 0 (1.1)Mit den Gamma-Matrizen sind die Pauli-Matrizen:
z.B.: 0 0 0 i0 0 -i 00 -i 0 0i 0 0 0
![Page 7: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/7.jpg)
Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3}
erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)
![Page 8: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/8.jpg)
Kompaktest mögliche Form (c=ħ=1) mit und ∂μ = {∂/∂0, ∂/∂1, ∂/∂2, ∂/∂3}
erscheint die DG folgendermaßen: i Ψ = mΨ (1.2)
![Page 9: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/9.jpg)
handlicher: Mit Coulombpotential für ein gebundenes Elektron kann die komplizierte DG in 2 gekoppelte Gleichungen aufgespalten werden: c σp ψS + mc2 ψL + VC ψL = E ψL (1.3)
c σp ΨL - mc2 ΨS - VC ΨS = E ΨS
mit p: dreier Impuls; ψL / ΨS : 2 Komponentige Spinoren, die den Spin parallel/antiparallel zum Impuls p angeben
![Page 10: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/10.jpg)
Für Lösungen mit positiver Energie E und schwachem Potential ist ΨS um kleiner als ψL und kann vernachlässigt werdenFür ein freies Elektron ( =0) ergeben sich die
Eigenwerte E: E = + c {p²+ m²c²}1/2 bzw.
E = - c {p²+ m²c²}1/2 (1.4)Für ≠0 ergeben sich gebundene Zustände mit
–mc² < E < +mc²
![Page 11: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/11.jpg)
Negative Eigenwerte? Loch zwischen den Energielösungen?
![Page 12: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/12.jpg)
Dirac hat sie nicht wie üblich einfach als „unphysikalisch“ verworfen
Für eine sinnvolle Erklärung postulierte er:- 1. alle negativen Energiezustände sind mit der
nach dem Pauli-Prinzip möglichen Anzahl an Elektronen besetzt
- 2. man kann 1. nur beobachten, wenn man eines dieser Elektronen in das positive Energiekontinuum befördert; Das entstehende „Loch“ im negativen Energiekontinuum hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron, bis auf die entgegengesetzte Elementarladung; damit ist das Positron das Antiteilchen zum Elektron
![Page 13: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/13.jpg)
- 3. Wenn ein Elektron auf ein Positron trifft, zerstrahlen sie in zwei entgegengesetzte Gammaquanten, deren Energie der Ruheenergie für ein solches Paar entspricht (jeweils 511keV)
- 4. Punkt 3. gilt für alle Fermionen, auch Proton/Antiproton (Energie hier jeweils 938MeV)
![Page 14: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/14.jpg)
___________________http://svs.gsfc.nasa.gov/search/Keyword/index.html
![Page 15: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/15.jpg)
Der Nachweis durch Anderson
Viele wollten Diracs Behauptung beweisen, Carl David Anderson war der schnellste
Anderson verwendete die 1910 von Wilson erfundene Nebelkammer
![Page 16: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/16.jpg)
Carl David Anderson 1905 – 1991 Nebelkammer von Wilson Schematisch
![Page 17: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/17.jpg)
Für einen Kreisbogen mit Radius ρ ergibt sich aus der Bedingung
(1.5)
Stärke und Richtung von B bekannt -> mit ρ kann man nur den Impuls (m v) des ∙unbekannten Teilchens bestimmen
Daraus ergeben sich drei Probleme:
![Page 18: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/18.jpg)
- 1. Was kann man als Positronenquelle nutzen?- 2. Bestimmung des Vorzeichens der Ladung;
Aus welcher Richtung fällt das Teilchen ein?- 3. Wie kann man Positron mit von einem
Proton unterscheiden?
Ad 1: -Zerfall 2 Jahre zuvor entdeckt, -Zerfall ( p -> n + + ) leider noch
nicht (man hätte perfekt -Quelle nutzen können)
Anderson sucht Positron in kosmischer Strahlung
![Page 19: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/19.jpg)
Ad 2: Anderson teilt die Nebelkammer durch eine 6mm dicke BleiplatteBahnkrümmung vor Durchgang durch die Platte
geringer als hinterherEinfallrichtung des Teilchens festgelegt
Ad 3: Protonen und Positronen haben unterschiedliche Reichweite in der NebelkammerAbschätzung der Masse des unbekannten
Teilchens nach oben hin möglich
![Page 20: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/20.jpg)
Das neu entdeckte Teilchen musste das von Dirac postulierte Positron sein:
1932 erstmalig in der Geschichte der Physik Antimaterie entdeckt
![Page 21: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/21.jpg)
Heute hat man für alle stabilen und instabilen Elementarteilchen ihre Antiteilchen gefunden und genau vermessen
![Page 22: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/22.jpg)
Erzeugung eines Elektronen-Positronen Paares in einer Blasenkammer
![Page 23: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/23.jpg)
Anwendungen der Antimaterie-Technologie
Antimaterie spielt große RolleBsp.: Positron-Emissions-Tomographie (PET)
aktive C-, O- oder Fluor Nuklide werden in das Gehirn injiziert
Nachweis der 511keV Vernichtungsstrahlung liefert sehr präzise Daten
![Page 24: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/24.jpg)
PET-“Kamera“ aus segmentierten - Detektoren
![Page 25: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/25.jpg)
Mit PET gemessene Hirn-Aktivitäten
![Page 26: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/26.jpg)
Lokale β+ -Aktivität um das rote Fadenkreuz beim Beschuss eines Gehirntumors mit hochenergetischen 12C6+-Ionen (GSI Darmstadt)
![Page 27: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/27.jpg)
Herstellung von Antimaterie - CERN
CERN ist die Europäische Organisation für Kernforschung²Betreibt physikalische Grundlagenforschung Sehr bekannt für riesigen Teilchenbeschleuniger20 Mitgliedsstaaten, 3400 MitarbeiterJahresbudget 2008: 694 Mio. €Weltweit führende Institution in der Herstellung
von Antimaterie
___________________[2] http://www.cern.de/
![Page 28: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/28.jpg)
Teilchenbeschleuniger des CERN
![Page 29: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/29.jpg)
1995 gelang erstmalig die Herstellung von Antiwasserstoff
Herstellungsprozess:Teilchen werden extrem beschleunigt und auf
Metall gefeuertEs entstehen Protonen und AntiprotonenIn langem System werden extrem schnelle
Antiprotonen gebremst und mit starken Magnetfeldern eingefangen
Zusätzlich werden Positronen für Antiwasserstoff benötigt
Wirkungsgrad:
![Page 30: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/30.jpg)
Herstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff würde ~Trillionen US $ kosten
Maximale Produktion: Weniger als 100 Antiwasserstoffatome pro SekundeHerstellung von 1 Gramm Antiwasserstoff nicht
nur enorm teuer sondern auch langwierig
![Page 31: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/31.jpg)
Antimaterie-Antrieb
Idee in Sci-Fi Welt weit verbreitetBekanntestes Schiff mit Antimaterie-Antrieb:
Raumschiff EnterpriseExtrem effektiv und hochenergetisch:
Aus 1 Mikrogramm Antimaterie lassen sich 180 Mega Joules gewinnen
1 Gramm Antimaterie kommt 23 Tankfüllungen eines Space Shuttle gleich³
___________________[3] http://www.heise.de/tp/r4/artikel/18/18486/1.html
![Page 32: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/32.jpg)
Schema eines Antimaterie-Triebwerks
![Page 33: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/33.jpg)
Ein Antimaterie-Antrieb wäre nicht nur aufgrund der geringen Treibstoffmenge hochinteressant, er ist auch extrem schnell17 Gramm Antimaterie genügen um Robotersonde
in 40 Jahren nach Alpha Centauri zu schicken (4,34 Lichtjahre entfernt)
![Page 34: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/34.jpg)
Antimaterie als Waffe / Bombe
Eine Bombe mit Antimaterietechnologie hätte besondere Vorteile⁴Man benötigt nur winzige Mengen für eine
verheerende ZerstörungswirkungAnnihilationsenergie wird sehr leicht frei -> kein
Zündmechanismus erforderlich„Saubere“ Bombe: Radioaktive Verseuchung sehr
viel geringer bzw. nicht vorhanden
___________________[4] http://www.zeit-fragen.ch/ausgaben/2008/nr38-vom-1592008/cern-forschung-fuer-antimaterie-bomben/
![Page 35: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/35.jpg)
Antimaterie Detektoren außerhalb der Erde?
Aufwändig, aber eventuelle Antiteilchen würden sonst direkt in der Atmosphäre annihilieren
Hochinteressant: Fund eines Antikohlenstoffkernes⁵Kohlenstoff entsteht im Inneren von SternenWird bei Explosion ins All geschleudertAntikohlenstoff käme aus einem Stern, der
ausschließlich aus Antimaterie besteht___________________[5] http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/452198/
![Page 36: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/36.jpg)
Neutronenexperiment des PTB 2008
Physikalisch Technische Bundesanstalt⁶Untersuchung der Stärke des elektrischen
Dipolmoments von NeutronenNeutron enthält positiv und negativ geladene QuarksLiefert eventuelle Erkenntnisse über die Unterschiede
von Materie und AntimateriePTB hat in Berlin den magnetisch ruhigsten Ort der
Erde erschaffenErmöglicht hochpräzise Messungen im
Neutronenexperiment___________________[6] http://idw-online.de/pages/de/news271952
![Page 37: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/37.jpg)
Bild der Begehbaren Kabine aus Mumetall⁷ (enthält 78% Nickel, 16% Eisen, 4% Kobalt)
Sammelt das Magnetfeld und lotst es um die Kabine herum
___________________[7] http://www.ptb.de/de/publikationen/blickpunkt/biomagnetismus/magnetischeruhe.html
![Page 38: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/38.jpg)
Größte Frage zu Antimaterie
Beim Urknall müssen riesige Mengen Antimaterie entstanden sein (physikalische Symmetrie)
Anstelle von Galaxien, Sternen und Menschen (Materie) müsste das Universum nur von Licht erfüllt sein
Wohin ist die Antimaterie?Warum hat Materie sich durchgesetzt?
![Page 39: Antimaterie Vortrag von Benjamin Spilker Universität Bielefeld](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022062512/55204d7049795902118c1b8f/html5/thumbnails/39.jpg)
Zusammenfassung
Antimaterie Spiegelbild zur normalen Materie1928 von Dirac vorhergesagt1932 von Anderson nachgewiesenAnwendungen als Antrieb/Waffe höchst
interessant, Wirkungsgrad macht das aber noch utopisch
Forschungszweig mit extrem hohem PotentialFrage nach dem Verbleib der Antimaterie eine
der wichtigsten des 21. Jahrhunderts