Antimaterie ist der Stoff der Science-Fiction. In dem Buch und Film Angels and Demons versucht Professor Langdon, Vatikanstadt vor einer Antimaterie-Bombe zu retten. Star Treks Raumschiff Enterprise nutzt Materie-Antimaterie-Vernichtungsantrieb für schnellere als leichte Reisen.
Aber Antimaterie ist auch der Stoff der Realität. Antimaterie-Teilchen sind fast identisch mit ihren Materie-Gegenstücken, außer dass sie die entgegengesetzte Ladung und Spin tragen. Wenn Antimaterie auf Materie trifft, vernichten sie sofort in Energie.,
Während Antimaterie-Bomben und Antimaterie-angetriebene Raumschiffe weit hergeholt sind, gibt es immer noch viele Fakten über Antimaterie, die Ihre Gehirnzellen kitzeln werden.
1. Antimaterie hätte nach dem Urknall die gesamte Materie im Universum vernichten sollen.
Theoretisch hätte der Urknall Materie und Antimaterie in gleichen Mengen erzeugen sollen. Wenn Materie und Antimaterie aufeinander treffen, vernichten sie und hinterlassen nichts als Energie., Also im Prinzip sollte keiner von uns existieren.
Aber wir tun. Und soweit die Physiker sagen können, liegt es nur daran, dass es am Ende für jede Milliarde Materie ein zusätzliches Materieteilchen gab-Antimaterie-Paare. Physiker arbeiten hart daran, diese Asymmetrie zu erklären.
2. Antimaterie ist dir näher als du denkst.
Kleine Mengen Antimaterie regnen ständig in Form von kosmischen Strahlen, energetischen Teilchen aus dem Weltraum, auf die Erde., Diese Antimaterie-Partikel erreichen unsere Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von weniger als einem pro Quadratmeter bis zu mehr als 100 pro Quadratmeter. Wissenschaftler haben auch Hinweise auf die Antimaterie-Produktion über Gewittern gesehen.
Aber andere Antimaterie Quellen sind noch näher zu Hause. Zum Beispiel produzieren Bananen Antimaterie und setzen etwa alle 75 Minuten ein Positron—das Antimaterie—Äquivalent eines Elektrons-frei. Dies geschieht, weil Bananen eine kleine Menge Kalium-40 enthalten, ein natürlich vorkommendes Kaliumisotop. Wenn Kalium-40 zerfällt, spuckt es gelegentlich ein Positron aus.,
Unser Körper enthält auch Kalium-40, was bedeutet, dass auch Positronen von Ihnen emittiert werden. Antimaterie vernichtet sofort bei Kontakt mit Materie, so dass diese Antimaterie-Partikel sehr kurzlebig sind.
3. Menschen haben nur eine winzige Menge Antimaterie erzeugt.
Antimaterie-Vernichtungen haben das Potenzial, eine riesige Menge an Energie freizusetzen. Ein Gramm Antimaterie könnte eine Explosion von der Größe einer Atombombe erzeugen., Menschen haben jedoch nur eine winzige Menge Antimaterie produziert.
Alle am Teilchenbeschleuniger Tevatron von Fermilab erzeugten Antiprotonen summieren sich auf nur 15 Nanogramm. Die am CERN hergestellten belaufen sich auf etwa 1 Nanogramm. Bei DESY in Deutschland wurden bisher rund 2 Nanogramm Positronen produziert.
Wenn alle Antimaterie, die jemals von Menschen hergestellt wurde, auf einmal vernichtet würde, würde die erzeugte Energie nicht einmal ausreichen, um eine Tasse Tee zu kochen.
Das Problem liegt in der Effizienz und den Kosten der Antimaterie-Produktion und-Lagerung., Die Herstellung von 1 Gramm Antimaterie würde ungefähr 25 Millionen Milliarden Kilowattstunden Energie erfordern und über eine Million Milliarden Dollar kosten.
4. Es gibt so etwas wie eine Antimaterie-Falle.
Um Antimaterie zu untersuchen, müssen Sie verhindern, dass sie mit Materie vernichtet wird. Wissenschaftler haben Wege geschaffen, genau das zu tun.
Geladene Antimaterie-Partikel wie Positronen und Antiprotonen können in sogenannten Penning-Fallen gehalten werden., Diese sind vergleichbar mit winzigen Beschleunigern. Im Inneren spiralisieren sich Partikel, während die magnetischen und elektrischen Felder verhindern, dass sie mit den Wänden der Falle kollidieren.
Aber Penning-Fallen funktionieren nicht bei neutralen Partikeln wie Antihydrogen. Da sie keine Ladung haben, können diese Partikel nicht durch elektrische Felder begrenzt werden. Stattdessen werden sie in Ioffe-Fallen gehalten, die einen Raumbereich schaffen, in dem das Magnetfeld in alle Richtungen größer wird. Das Teilchen bleibt im Bereich mit dem schwächsten Magnetfeld stecken, ähnlich wie ein Marmor, der um den Boden einer Schüssel rollt.,
Das Erdmagnetfeld kann auch als eine Art Antimaterie-Falle wirken. Antiprotonen wurden in Zonen um die Erde gefunden, die als Van Allen-Strahlungsgürtel bezeichnet werden.
5. Antimaterie könnte fallen.
Antimaterie-und Materieteilchen haben die gleiche Masse, unterscheiden sich jedoch in Eigenschaften wie elektrische Ladung und Spin. Das Standardmodell sagt voraus, dass die Schwerkraft die gleiche Wirkung auf Materie und Antimaterie haben sollte; Dies muss jedoch noch gesehen werden., Experimente wie AEGIS, ALPHA und GBAR sind schwer zu finden.
Die Beobachtung der Wirkung der Schwerkraft auf Antimaterie ist nicht ganz so einfach wie das Fallen eines Apfels von einem Baum. Diese Experimente müssen Antimaterie in einer Falle halten oder verlangsamen, indem sie auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt abkühlen. Und weil die Schwerkraft die schwächste der Grundkräfte ist, müssen Physiker in diesen Experimenten neutrale Antimaterie-Partikel verwenden, um Störungen durch die stärkere elektrische Kraft zu verhindern.,
6. Antimaterie, studierte in der Teilchen-entschleuniger.
Sie haben von Teilchenbeschleunigern gehört, aber wussten Sie, dass es auch Teilchenverzögerer gibt? Das CERN beherbergt eine Maschine namens Antiproton Decelerator, einen Speicherring, der Antiprotonen erfassen und verlangsamen kann, um ihre Eigenschaften und ihr Verhalten zu untersuchen.
In kreisförmigen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider erhalten Teilchen bei jeder Drehung einen Energieschub., Verzögerer arbeiten rückwärts; Anstelle eines Energieanstiegs erhalten Partikel einen Kick rückwärts, um ihre Geschwindigkeiten zu verlangsamen.
7. Neutrinos könnten ihre eigenen Antiteilchen sein.
Ein Materie-Teilchen und sein Antimaterie-Partner tragen entgegengesetzte Ladungen, wodurch sie leicht zu unterscheiden sind. Neutrinos, fast massenlose Teilchen, die selten mit Materie interagieren, haben keine Ladung., Wissenschaftler glauben, dass sie Majorana-Teilchen sein können, eine hypothetische Klasse von Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind.
Projekte wie der Majorana Demonstrator und EXO-200 zielen darauf ab festzustellen, ob Neutrinos Majorana-Teilchen sind, indem nach einem Verhalten namens neutrinoless Double-beta Decay gesucht wird.
Einige radioaktive Kerne zerfallen gleichzeitig und setzen zwei Elektronen und zwei Neutrinos frei. Wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen wären, würden sie sich nach dem doppelten Zerfall gegenseitig vernichten, und Wissenschaftler würden nur Elektronen beobachten.,
Das Finden von Majorana-Neutrinos könnte helfen zu erklären, warum Antimaterie-Asymmetrie existiert. Physiker vermuten, dass Majorana-Neutrinos entweder schwer oder leicht sein können. Die leichten existieren heute, und die schweren hätten erst direkt nach dem Urknall existiert. Diese schweren Majorana-Neutrinos wären asymmetrisch zerfallen, was zu dem winzigen Materieüberschuss führte, der es unserem Universum ermöglichte zu existieren.
8. Antimaterie wird in der Medizin verwendet.,
PET (Positronenemissionstomographie) verwendet Positronen, um hochauflösende Bilder des Körpers zu erzeugen. Positronenemittierende radioaktive Isotope (wie die in Bananen enthaltenen) sind an chemische Substanzen wie Glukose gebunden, die vom Körper auf natürliche Weise verwendet werden. Diese werden in den Blutkreislauf injiziert, wo sie natürlich abgebaut werden, Positronen freisetzen, die Elektronen im Körper treffen und vernichten. Die Vernichtungen erzeugen Gammastrahlen, die verwendet werden, um Bilder zu konstruieren.,
Wissenschaftler des ACE-Projekts am CERN haben Antimaterie als potenziellen Kandidaten für die Krebstherapie untersucht. Ärzte haben bereits entdeckt, dass sie Tumore mit Partikelstrahlen bekämpfen können, die ihre Energie erst freisetzen, wenn sie gesundes Gewebe sicher passieren. Die Verwendung von Antiprotonen fügt einen zusätzlichen Energieschub hinzu. Es wurde festgestellt, dass die Technik in Hamsterzellen wirksam ist, aber Forscher müssen noch Studien in menschlichen Zellen durchführen.
9., Die Antimaterie, die uns daran hätte hindern sollen zu existieren, könnte immer noch im Weltraum lauern.
Eine Möglichkeit, das Problem der Asymmetrie der Antimaterie zu lösen, besteht darin, nach Antimaterie zu suchen, die vom Urknall übrig geblieben ist.
Das Alpha-Magnetspektrometer ist ein Teilchendetektor, der auf der Internationalen Raumstation auf der Suche nach diesen Teilchen sitzt. AMS enthält Magnetfelder, die den Weg kosmischer Teilchen biegen, um Materie von Antimaterie zu trennen. Seine Detektoren beurteilen und identifizieren die Partikel beim Durchgang.,
Kollisionen kosmischer Strahlen erzeugen routinemäßig Positronen und Antiprotonen, aber die Wahrscheinlichkeit, ein Antiheliumatom zu erzeugen, ist aufgrund der enormen Energiemenge, die es benötigen würde, extrem gering. Dies bedeutet, dass die Beobachtung eines einzelnen Antiheliumkerns ein starker Beweis für die Existenz einer großen Menge an Antimaterie irgendwo anders im Universum wäre.
10. Die Leute studieren tatsächlich, wie man Raumfahrzeuge mit Antimaterie treibt.,
Nur eine Handvoll Antimaterie kann eine riesige Menge an Leistung erzeugen, was es zu einem beliebten Kraftstoff für futuristische Fahrzeuge in der Science-Fiction macht.
Antimaterie-Raketenantrieb ist hypothetisch möglich; Die Hauptbeschränkung besteht darin, genügend Antimaterie zu sammeln, um dies zu ermöglichen.
Derzeit gibt es keine Technologie zur Massenproduktion oder Sammlung von Antimaterie in dem für diese Anwendung benötigten Volumen. Eine kleine Anzahl von Forschern hat jedoch Simulationsstudien zu Antrieb und Lagerung durchgeführt., Dazu gehören Ronan Keane und Wei-Ming Zhang, die ihre Arbeit an der Western Reserve Academy bzw. an der Kent State University verrichteten, sowie Marc Weber und seine Kollegen an der Washington State University. Wenn wir eines Tages einen Weg finden, große Mengen an Antimaterie zu erzeugen oder zu sammeln, könnten ihre Studien dazu beitragen, dass Antimaterie-angetriebene interstellare Reisen Realität werden.