Facharbeit FERTIG vorbereitung pdf
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1. Einleitung<br />
In dieser <strong>Facharbeit</strong> werden wir uns mit Elementarteilchen und der Forschung<br />
zum Thema Antimaterie beschäftigen. Um eine kurze Einleitung zu geben,<br />
zeigen wir hier den historischen Verlauf der Teilchenphysik von Demokrit bis<br />
CERN (franz. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Europäische<br />
Organisation für Kernforschung).<br />
Schon lange beschäftigt sich die Menschheit mit der Frage, aus was die Materie<br />
um uns herum aufgebaut ist. Bereits vor über 2000 Jahren kamen der<br />
griechische Philosoph Leukippos und sein Schüler Demokrit auf den Gedanken,<br />
dass die Materie aus kleinsten unzerteilbaren Teilchen bestehe, den „Atomen“<br />
(griech. unzerlegbar).<br />
1897 entdeckte Joseph J. Thomson das Elektron, indem er nachwies, dass die<br />
bis dahin unbekannte Strahlung aus Glühkathoden ein Strom aus Elektronen<br />
ist. Wenige Jahre später (1911) beschoss Ernest Rutherford Goldfolie mit<br />
Alphastrahlung und erkannte, dass ein großer Teil der Strahlung die Folie<br />
ungehindert durchdrang. Daraus deutete er, dass Atome einen sehr kleinen<br />
Atomkern besitzen, welcher aber einen Großteil der Masse trägt und von einer<br />
Elektronenwolke umgeben ist, wobei er acht Jahre später das Proton als Kern<br />
des Wasserstoffatoms entdeckte. Ein Schüler Rutherfords, James Chadwick,<br />
erforschte die Beryllium-Strahlung als Strahl aus neutralen Teilchen, den<br />
Neutronen, die er als weiteren Baustein des Atomkerns identifizierte. Nun<br />
dachte man, endgültig die fundamentalen Bestandteile der Materie entdeckt zu<br />
haben.<br />
Als man feststellte, dass Neutronen zwar nach außen neutral sind, allerdings im<br />
Inneren eine elektrische Ladungsverteilung vorliegt, schlugen die Physiker<br />
Murray Gell-Mann (am California Institut of Technology) und George Zweig<br />
(CERN) 1964 vor, dass die Kernbestandteile, Protonen und Neutronen, aus je<br />
drei kleineren geladenen Teilchen bestehen, den Quarks. Nun konnte man den<br />
"Teilchenzoo" in verschiedene Gruppen einteilen, die Leptonen und die<br />
Hadronen wobei letztere aus Quarks aufgebaut sind.<br />
Im Folgenden werden wir uns nur auf die für uns wichtigen Bestandteile des<br />
Atoms beschränken, den Quarks (bzw. Protonen und Neutronen) und den<br />
1
Elektronen, denn diese reichen aus, um das Prinzip der Antimaterie zu<br />
erläutern.<br />
Bereits im Jahre 1928 sagte Paul Dirac die Existenz von Antiteilchen voraus,<br />
doch erst 1932 gelang der experimentelle Nachweis von Positronen<br />
(Antielektronen) durch Anderson und Neddermeyer. 23 Jahre später stellte C.<br />
D. Anderson erstmals Antiprotonen mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers im<br />
Lawrence Berkleley National Laboratory her. Mit Hilfe des LEAR-Speicherrings<br />
am CERN konnte 1995 unter der Leitung von Walter Oelert erstmals<br />
Antiwasserstoff hergestellt und nachgewiesen werden.<br />
Nicht zuletzt durch die Teilchenbeschleuniger konnten große<br />
Forschungseinrichtungen, wie z.B. CERN, die Zusammenhänge zwischen den<br />
Elementarteilchen ergründen. Der weltweit stärkste betriebene<br />
Teilchenbeschleuniger ist derzeit der Large Hadron Collider und steht am<br />
CERN.<br />
Zum Ende unserer <strong>Facharbeit</strong> werden wir uns mit der Frage beschäftigen, ob<br />
und wie man die Energie aus Antimaterie nutzen kann, wobei wir auch auf die<br />
Problematik des Missbrauchs eingehen.<br />
2
2. Was ist Antimaterie?<br />
Um erklären zu können, was Antimaterie ist, müssen wir uns erst einmal mit<br />
Materie auseinander setzen. Denn Materie und Antimaterie unterscheiden sich<br />
laut dem CPT-Theorem nur in drei wichtigen Eigenschaften, welche in 2.2<br />
erläutert werden. Den offensichtlichsten Unterschied stellt dabei die umgekehrte<br />
Ladung dar.<br />
2.1 Materie 1<br />
Alles was sich um uns herum befindet besteht aus Materie, genauer gesagt aus<br />
Elementarteilchen, welche sich in verschiedene Gruppen einteilen lassen. Da<br />
wir uns nur auf die für uns wichtigen Teilchen beschränken, sind diese Gruppen<br />
die Leptonen, zu denen die Elektronen gehören, und die aus Quarks<br />
aufgebauten Hadronen. Letztere unterteilen sich zusätzlich in Mesonen, also<br />
aus zwei Quarks aufgebauten Teilchen, und Baryonen, aus drei Quarks<br />
aufgebaute Teilchen, zu denen auch die Protonen und Neutronen gehören.<br />
2.1.1 Leptonen<br />
Nach heutigem Stand sind Leptonen nicht weiter teilbar, liegen also elementar<br />
vor. Das wichtigste Lepton ist als Atombaustein das Elektron.<br />
Es hat die negative elektrische Ladung<br />
e= - 1,6022 ·10 -19 C<br />
und die Masse<br />
me = 9,1096 · 10 -28 g (Ruhemasse: me = 0,511 MeV).<br />
1 Zur Veranschaulichung siehe Abb. 1<br />
3
2.1.2. Hadronen<br />
Hadronen unterteilt man in Baryonen und Mesonen, wobei Baryonen aus drei<br />
und Mesonen aus zwei Quarks zusammengesetzt sind. Im Folgenden werden<br />
wir uns nur auf die für uns wichtigsten Baryonen beschränken, den Protonen<br />
und Neutronen, welche als Nucleonen bezeichnet werden. Quarks sind nach<br />
heutigem Wissen zusammen mit den Elektronen die fundamentalen<br />
Bestandteile der Materie. Man entdeckte die Quarks indem man Protonen und<br />
Neutronen mit einem Elektronenstrahl beschoss. Dabei stellte man fest, dass<br />
es auch bei den nach außen hin neutralen Neutronen zu einer Ablenkung der<br />
Elektronen kam. Daraus folgerte man das Protonen und Neutronen aus noch<br />
kleineren geladenen Teilchen bestehen müssen, den Quarks, die die<br />
eigentliche Ladung tragen. U-Quarks tragen eine 2<br />
3<br />
.<br />
− 1<br />
3<br />
und D-Quarks eine<br />
Ladung. Daraus ergibt sich für die Ladung von Proton und Neutron:<br />
2.2 Antimaterie<br />
q p =2 2 1<br />
e−<br />
3 3 e=1e<br />
qn= 2 1<br />
e−2<br />
3 3 e=0<br />
Paul Dirac sagte bereits 1982 die Existenz von Antiteichen vorher, indem er<br />
Einsteins spezielle Relativitätstheorie und die Quantenmechanik versuchte zu<br />
verbinden. Dabei verwunderte ihn, dass diese nicht nur eine positive Lösung<br />
ergab, sondern ebenso eine Lösung die eine negative Energie eines Protons<br />
vorhersagte.<br />
1 Siehe [16]<br />
1<br />
4
E=m 2 c 4 p 2 2 1<br />
c<br />
E=−m 2 c 4 p 2 c 2<br />
(p ist der Betrag des linearen Impuls des Teilchens)<br />
Dies warf die Frage auf, ob es Antiteilchen gibt, die mit der Masse eines<br />
gewöhnlichen Teilchens übereinstimmen, was es zu beweisen galt. Wie bereits<br />
in der Einleitung erwähnt, gelang dies Anderson und Neddermeyer im frühen<br />
20. Jahrhundert. Heutzutage stellt die Produktion von Antiteilchen an<br />
Forschungseinrichtungen wie dem CERN kein großes Problem mehr dar.<br />
Mit dem Vorwissen, dass der Atomkern aus positiv geladenen Protonen und<br />
neutralen Neutronen besteht und von einer Wolke aus negativ geladenen<br />
Elektronen umgeben ist, kann man leicht erklären, was Antimaterie ist.<br />
Laut Paulis CPT-Theorem müssen die drei Operatoren, die Ladungsumkehr<br />
(C), die Inversion aller drei Raumkoordinaten (P) und die Umkehr der<br />
Zeitkoordinate (T) angewendet werden, damit sich ein Antiteilchen ergibt. Alle<br />
anderen Werte, wie zum Beispiel Masse und Halbwertszeit sind gleich. 2<br />
Nun muss man aber beachten, dass Teilchen mit ihren Antiteilchen annihilieren,<br />
das heißt, dass die gesamte in Form von Masse gespeicherte Energie frei wird.<br />
Die dabei frei werdende Energie berechnet man nach Einsteins<br />
Relativitätstheorie mit doppelter Masse:<br />
E=2mc²<br />
1 Vgl. [5], S. 145<br />
2 Vgl. [4], S. 168<br />
Wenn nun ein Proton auf ein Antiproton trifft entsteht auf Grund der<br />
Masse eines Protons:<br />
E = 2 · 1,6 · 10 -27 · 2.997.924.582² kg m²<br />
s²<br />
E = 2,876 · 10 -10 J = 1.797,51 MeV<br />
5
Für eine Elektron-Positron Annihilation ergibt sich:<br />
E = 1.022,13 MeV<br />
Für die Erforschung von Antimaterie braucht man nicht unbedingt große<br />
Anlagen mit Teilchenbeschleunigern, denn Antimaterie entsteht auch in der<br />
Natur. Zum Beispiel beim β +- -Zerfall der natürlichen Radioaktivität oder trifft als<br />
Höhenstrahlung auf unsere Atmosphäre.<br />
Außerdem ist noch zu erwähnen, dass beim Urknall nicht nur "normale"<br />
Teilchen, sondern mit einem Verhältnis von<br />
1.000.000.001Teilchen<br />
1.000.000.000Antiteilchen<br />
Antiteilchen entstanden, welche nach dem Urknall mit den Materieteilchen<br />
annihilierten, was dazu führte, dass wir heute in einer Welt aus Materie leben<br />
und nicht in einer aus Antimaterie. 1<br />
1 Vgl. [13]<br />
6
3. Kann man Antimaterie künstlich herstellen?<br />
Ja, allerdings benötigt man zur Herstellung und Untersuchung von<br />
Elementarteilchen, und wir sprechen bei Antimaterie von elementaren<br />
Antiteilchen, sehr hohe Energie, die man nur mit sehr großem Aufwand<br />
erreichen kann. In Forschungseinrichtungen wie z.B. CERN, werden<br />
Antiprotonen bereits routinemäßig hergestellt. Die Produktion von Antiteilchen<br />
findet in Teilchenbeschleunigern statt, die Folgende Rekombination zu<br />
Antiatomen und die Lagerung in Teilchenfallen wie zum Beispiel der Penning-<br />
Falle.<br />
3.1 Teilchenbeschleuniger<br />
Die meisten Fortschritte die zu neuen Erkenntnissen in der Teilchenphysik<br />
führten sind auf Teilchenbeschleuniger zurückzuführen. Prinzip eines<br />
Teilchenbeschleunigers ist es die Energie eines Teilchens zu vervielfältigen<br />
indem man seine Geschwindigkeit erhöht. Dabei muss auf der gesamte<br />
Beschleunigungsstrecke ein Vakuum bestehen, damit die Teilchen nicht durch<br />
Luftmoleküle abgebremst werden. Man erhofft sich, Teilchen so stark<br />
aufeinander schießen zu können, dass sie in ihre unteilbaren Bestandteile<br />
zerfallen. Dabei kann auch laut Einsteins Relativitätstheorie Masse und Energie<br />
ineinander umgewandelt werden. In einem Punkt des Raumes muss<br />
mindestens die zur Erzeugung der Ruhemasse m eines Teilchens erforderliche<br />
Energie nach<br />
E=mc 2<br />
verfügbar sein.<br />
Mit Hilfe von Beschleunigern werden stabile geladene Teilchen, wie z.B.<br />
Protonen oder Positronen durch elektrische Felder bis annähernd<br />
Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gegebenenfalls zur Kollision gebracht.<br />
Dabei entsteht der nahezu komplette bekannte Teilchnzoo aus dem die<br />
Antiprotonen mit Hilfe eines Massenfilters auf Grund ihrer Masse und Ladung<br />
und der daraus folgenden speziellen Flugbahn heraus gefiltert werden können.<br />
7
Beim LHC zum Beispiel entstehen pro Kollision von etwa 20 Teilchen etwa 200<br />
geladene wie neutrale Teilchen.<br />
Wenn Teilchen nun beschleunigt werden, haben sie laut der speziellen<br />
Relativitätstheorie eine Energie von<br />
E=γ mc 2 =m 2 c 4 −p 2 c 2 ,mit γ= 1<br />
<br />
v<br />
1− 2<br />
c 2<br />
Im Prinzip ist es möglich mit einem Elektrodenpaar, an das eine Hochspannung<br />
angelegt wird ein Teilchen beliebig stark zu beschleunigen. Allerdings wird dies<br />
in der Realität durch Funkenüberschläge und Belastbarkeit der Isolatoren auf<br />
ein paar Millionen Volt eingeschränkt. Erst die Beschleunigung von Teilchen in<br />
Stufen ermöglicht höhere Energien, wobei die geladenen Teilchen mit Hilfe von<br />
Magnet auf ihrer Bahn gehalten werden.<br />
3.1.1 Linearbeschleuniger 2<br />
Ein Linearbeschleuniger besteht aus mehreren zylinderförmigen Elektroden,<br />
den so genannten Driftrohren. Die geladenen Teilchen treten aus der<br />
Ionenquelle aus und werden, in einem ausreichend langem<br />
Beschleunigungsrohr, mit Hilfe von hochfrequentierter Wechselspannung<br />
beschleunigt. Dabei werden die Pole der Wechselspannung an je zwei<br />
aufeinander folgende zylinderförmigen Elektroden angelegt. Um einen<br />
maximalen Energiestoß der Teilchen zu erreichen, müssen Driftrohrlänge,<br />
Abstände zwischen den Driftrohren und Frequenz so aufeinander abgestimmt<br />
sein, dass die Teilchen immer im richtigen Augenblick den Zwischenraum<br />
zweier Driftrohre erreichen. Aus diesem Grund muss für jeden Teilchentyp ein<br />
anderer Linearbeschleuniger gebaut werden, da die Masse eines Teilchens<br />
ebenso die Geschwindigkeit beeinflusst.<br />
Um z.B. ein Elektron, das bereits die Ruheenergie von Ee-= 0.511 MeV hat, mit<br />
einer Energie von 1 MeV auszustatten, benötigt man 489<br />
Beschleunigungsstrecken mit einer Spannungsdifferenz von je 1000 V. Dabei<br />
1 Siehe [1], S. 19<br />
2 Zur Veranschaulichung siehe Abb. 2<br />
1<br />
8
eicht für die geringe Masse des Elektrons eine Energie von 2 MeV aus, um sie<br />
auf eine Geschwindigkeit von 0,98 c zu beschleunigen.<br />
Auf Grund von Entladungsverlusten können die Teilchen nur eine Energie von<br />
bis zu 10MeV aufnehmen, daher werden Linearbeschleuniger meist als<br />
Vorbeschleuniger für Kreisbeschleuniger genutzt.<br />
3.1.2 Ring-/Kreisbeschleuniger<br />
Kreisbeschleuniger haben im Gegensatz zu Linearbeschleuniger einen<br />
entscheidenden Vorteil. Ein Linearbeschleuniger braucht viel Platz um<br />
möglichst viele Beschleunigungsstufen hintereinander zu betreiben, bei einem<br />
Kreisbeschleuniger können die geladenen Teilchen die Ringe mehrmals<br />
durchfliegen, wodurch Platz und Geld gespart werden kann. Dabei ist die<br />
Beschleunigungstrecke entweder Spiral- oder Kreisförmig aufgebaut.<br />
3.1.2.1 Synchrotron 1<br />
Beim Synchrotron werden die Teilchen durch ein magnetisches Führungsfeld<br />
auf einer Kreisbahn mit einem konstanten Radius, also r=r0 in einem Vakuum<br />
gehalten. An mehreren Stellen werden sie durch gerade hoch frequentierte<br />
Beschleunigungsstrecken beschleunigt. Die Frequenz (ω(t)), sowie die Stärke<br />
des Führungsfeldes (B(t)) nehmen während der Beschleunigungsperiode mit<br />
steigender Geschwindigkeit der Teilchen synchron zu. Dabei erhalten die<br />
Teilchen einen Energiegewinn von<br />
E= qcB<br />
2<br />
pro Umlauf. Allerdings geben beschleunigte Teilchen Energie ab, die man im<br />
Fall von Kreisbeschleunigern Synchrotron-Strahlung nennt, die mit kleiner<br />
werdenden Radien wächst.<br />
Am CERN zum Beispiel wird ein Synchrotron, genauer gesagt der SPS (Super<br />
Proton Synchrotron), als Injektor für den LHC genutzt. Der SPS, der 1976<br />
1 Zur Veranschaulichung siehe Abb. 3<br />
2 Siehe [14]<br />
9
vollendet wurde, hat einen Umfang von 6912 m (r=1,1 km) und kann Teilchen<br />
mit einer Bewegungsenergie von 400 - 500 GeV ausstatten. Die geladenen<br />
Teilchen werden durch ein ungefähr 1,4 T starkes Magnetfeld auf ihrer Bahn<br />
gehalten.<br />
3.1.2.2 Zyklotron 1<br />
Zyklotronen bestehen aus je zwei Duaden (D-förmige Elektroden), an denen<br />
eine konstante hochfrequentierte Wechselspannung anliegt. Im Zentrum des<br />
Zyklotrons liegt die Teilchenquelle. Zwischen den beiden Duaden verläuft<br />
entlang eines Durchmessers des Zyklotrons der Beschleunigungsspalt. Die<br />
Polung der beiden Duaden ändert sich immer dann, wenn die Teilchenpakete<br />
diesen Beschleunigungsspalt passieren. Dadurch das der Radius immer größer<br />
wird, kann der Zyklotron mit einer konstanten Wechselspannung betrieben<br />
werden. Das Magnetfeld B0, welches senkrecht zur Beschleunigungsebene<br />
verläuft, werden die geladenen Teilchen auf Bahn gehalten. Nach<br />
ausreichender Beschleunigung nähert sich der Teilchenstrahl dem Rand des<br />
Gefäßes, wo sie im richtigem Moment mit Hilfselektroden extrahiert werden.<br />
3.1.3 Speicherringe und Collider<br />
Ursprünglich wurden die beschleunigten Teilchen lediglich auf Targets, also<br />
ruhende Teilchen geschossen. Wenn man aber Teilchen mit annähernd<br />
gleichem Impulsen aufeinander treffen lässt, kann die Energie wesentlich<br />
erhöht werden. Allerdings ist die Trefferwahrscheinlichkeit sehr gering, auf<br />
Grund dessen werden große Teilchenströme angestrebt, und die Teilchen die<br />
aneinander vorbei fliegen erneut versucht zur Kollision zu bringen. Die<br />
beschleunigten Teilchen werden daher in Speicherringen, vom Aufbau dem<br />
Synchrotron ähnelnd, auf der gewünschten Energie gehalten, indem sie<br />
lediglich auf Kreisbahn gehalten werden. Der auftretende Energieverlust muss<br />
jedoch vermieden werden, da der Teilchenstrahl zum Teil einige Stunden im<br />
Speicherring kreist, bis die gewünschte Anzahl der Reaktionen beobachtet<br />
1 Zur Veranschaulichung siehe Abb. 4<br />
10
wurde. Dabei ist ein Hochvakuum von bis zu 10 -7 Pa erforderlich um Stöße mit<br />
Restgasmolekülen auszuschließen.<br />
Collider ist dann lediglich die Bezeichnung für Anlagen die aus Beschleunigern<br />
und Speicherringen bestehen. Je nachdem, welche Teilchen beschleunigt<br />
werden, benötigt man entweder einen Speicherring, in dem die Teilchen<br />
entgegengesetzt verlaufen lässt, oder zwei, die sich in einigen Punkten<br />
überschneiden an denen die Teilchen kollidieren.<br />
3.1.4 LHC und CERN 1<br />
CERN ist ein Beispiel für internationale Zusammenarbeit, der Organisation<br />
gehören 20 Mitgliedsländer an und liegt in der Nähe von Genf. Es wurde 1954<br />
mit dem Ziel der Grundlagenforschung im Bereich der Nuklearphysik gegründet.<br />
2008 belief sich das Jahresbudget auf rund 650 Millionen Euro, wobei<br />
Deutschland etwa 20 % der kosten übernimmt.<br />
Zu den wichtigsten Beschleunigern gehört der Large Hadron Collider (LHC,<br />
deutsch: Großer Hadronen Beschleuniger). Der LHC ist der zurzeit<br />
leistungsfähigste und größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Der Ring ist<br />
26,7km lang und liegt in einer Tiefe von 50 – 157 m unterhalb des<br />
Grenzgebietes Frankreichs und der Schweiz in der Nähe von Genf. Hier werden<br />
Protonen und schwere Ionen mit einer Kollisionsenergie von bis zu 14 TeV<br />
aufeinander geschossen. Im Abstand von 15 ns kreuzen sich 2 Protonen<br />
Pakete, wobei ein Paket etwa aus 10 11 Teilchen besteht, allerdings kollidieren<br />
nur etwa 20 Teilchen.<br />
Die geladenen Teilchen werden auf zwei getrennten Kreisen entgegengesetzt<br />
im Tunnel beschleunigt und an vier Stellen, den Detektoren ATLAS, CMS,<br />
LHCb und ALICE zur Kollision gebracht. An diesen Stellen entstehen durch den<br />
Aufprall neue Elementarteilchen. Hauptziel ist es, das Higgs-Boson<br />
nachzuweisen, welches bereits seit 1964 vorhergesagt wurde.<br />
Durch 1232 supraleitende Dipolmagneten, die extra für den LHC entwickelt<br />
wurden, werden die Teilchen mit 8,4 T auf ihrer Bahn gehalten. 700000 l<br />
flüssiges Helium und 14000000 l flüssiger Stickstoff werden benötigt, um um<br />
Temperaturen von 1,9 K zu erzeugen. Damit die Teilchen nicht unkontrolliert mit<br />
1 Zur Veranschaulichung siehe Abb. 5<br />
11
Luftmolekülen kollidieren, wird auf der gesamten Strecke (Volumen: ca. 9.000<br />
m³) ein Vakuum erzeugt.<br />
Im Abstand von 25ns werden 2808 Protonenpakete mit je 10 11 Protonen<br />
aufeinander treffen, wobei die Strahlen auf eine Fläche von 10 m fokussiert<br />
sein. Es wird ein Zustand wie 10-13 s nach dem Urknall erzeugt.<br />
3.2 Teilchendetektoren<br />
Neue Fragestellungen und die Entwicklung leistungsfähiger<br />
Teilchenbeschleuniger verlangen nach neuen und besseren Nachweis– und<br />
Messtechniken. Manche Teilchen lassen sich nur Anhand ihrer Zerfalls<br />
Produkte, die es sichtbar zu machen gilt.<br />
Der ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) am CERN ist, mit einem Gewicht von<br />
7.000t, der größte Teilchendetektor der je an einen Beschleuniger gebaut<br />
wurde. Pro Sekunde entstehen etwa 200 Elementarteilchen, die es zu<br />
verarbeiten gilt, in der Größenordnung von etwa 100 Tb. Durch das eintreffen<br />
von 10 15 Teilchen pro Quadratmeter in der gesamten Betriebszeit des LHC<br />
kommt es außerdem zu einer Materialschädigung.<br />
3.2.1 Nebelkammer<br />
Eine Nebelkammer, 1912 von Charles T.R. Wilson erfunden, ist ein meist<br />
zylindrisches Gefäß, das mit übersättigtem Gas-Dampf-Gemisch gefüllt ist. Das<br />
eine Ende des Zylinders ist mit einem Kolben versehen, damit das Volumen des<br />
Zylinders zunehmen kann, wodurch sich das Gas im inneren schnell abkühlt.<br />
Wenn nun elektrisch geladene Teilchen durch den Dampf fliegen, kondensiert<br />
dieser entlang der Flugbahn des Teilchens, da sie auf ihrem weg durch die<br />
Kammer Gasmoleküle ionisieren. Allerdings wird diese Bahn schnell diffus.<br />
Durch Beleuchtung kann man die Flugbahn der Teilchen nachweisen, denn<br />
das Licht streut sich an der Nebelspur wodurch diese hell aufleuchtet und<br />
photographiert werden kann. Allerdings kann man diese Spur nicht direkt mit<br />
der Teilchenbahn an sich verglichen werden, da der Durchmesser der Bahn<br />
etwa 10 -3 m beträgt, der Durchmesser eines Protons allerdings nur etwa 10 -15 m<br />
beträgt.<br />
12
Mit Hilfe der Nebelkammer gelang 1930 der experimentelle Nachweis von<br />
Positronen. Bruno Rossi untersuchte die kosmische sekundär Strahlung, wobei<br />
er feststellte das positive wie negative Teilchen in sein Zählrohr gelangten. Das<br />
einsetzen einer Bleiplatte durch Anderson und Neddermeyer wurde deutlich,<br />
dass das elektrische positive Teilchen kein Proton sein konnte, da ein Proton<br />
durch die Platte stärker abgebremst worden wäre. Die Daten sprachen dafür<br />
das es ein Elektron mit positiver Ladung sein müsste, ein Anti-Elektron.<br />
3.3 Kühlung und Lagerung<br />
Um die Kühlung von Teilchen zu erläutern, muss zuerst erklärt werden, wo der<br />
Unterschied zwischen kalten und heißen Teilchen liegt. Heiße Teilchen<br />
bewegen sich sehr schnell und sind deshalb für Experimente die zum Vergleich<br />
zwischen Materie und Antimaterie dienen nicht brauchbar. Kalte Teilchen<br />
bewegen sich demnach langsam beziehungsweise fast gar nicht, weshalb sie<br />
für Vergleichsexperimente besser geeignet sind und außerdem besser in<br />
kleineren Behältnissen gelagert und deshalb auch transportiert werden können.<br />
Die Lagerung von Antiteilchen stellt eine relativ große Herausforderung dar, da<br />
sie wie bereits beschrieben bei Kontakt mit Materieteilchen zerstrahlen, dies<br />
muss als vermieden werden. Daraus folgt, dass die Lagerung der Antiteilchen<br />
nur in einem nahezu perfekten Vakuum und in einem Behälter, dessen Wände<br />
aus magnetischen und elektrischen Feldern besteht, möglich ist.<br />
Wir werden die Kühlung und Speicherung von Antimaterie am Beispiel der<br />
Vorgehensweise welche am CERN Anwendung findet erläutern, außerdem wird<br />
im Folgenden davon ausgegangen, dass die Teilchen vom AD (Antiproton<br />
Decelerator) vorgekühlt wurden. Dieser arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie<br />
ein Kreisbeschleuniger, allerdings ist Wechselspannung hier so eingestellt,<br />
dass die Antiprotonen immer von dem negativen Führungsfeld ausgebremst<br />
werden.<br />
13
3.3.1 Die Penning-Falle<br />
Die Penning-Falle ist im Prinzip ein in einem Magnetfeld befindlicher Stapel<br />
goldbeschichteter Kupferringe [8] , in dem sich die geladenen Teilchen senkrecht<br />
zu den Magnetfeldlinien bewegen. Das 6 T starke Magnetfeld wird durch die<br />
Spule, in der 37 A Strom fließen, erzeugt.<br />
Das entweichen der geladenen Teilchen wird durch Hochspannungselektroden<br />
verhindert, welche sich am oberen und unteren Ende der Falle befinden.<br />
In der Falle befindet sich eine Elektronenwolke, in der jedes Elektron eine<br />
Energie von 4 K 1 hat, welche durch die negativen Felder in den<br />
Fallenmittelpunkt gezwungen wird.<br />
3.3.1.1 Kühlung und Speicherung von Antiprotonen mit Hilfe von<br />
Elektronen<br />
Die Antiprotonen aus dem AD treten mit ihrer Energie von 6 MeV durch die<br />
Bodenelektrode in die Falle ein, wobei sie durch den Zusammenstoß mit den<br />
Atomen bereits gebremst werden, allerdings kommen auch manche von ihnen<br />
zum Stillstand und zerstrahlen. Ein weiterer Teil, der mit einer Energie von etwa<br />
3 keV, gelangt zur oberen Elektrode und zerstrahlt dort. Nach diesem Schritt<br />
bleiben von den etwa 10 7 ausgeschossenen Antiprotonen nur etwa 10 4 übrig.<br />
Der Rest der Antiprotonen kann eingefangen werden, sie fliegen zur oberen<br />
Elektrode, werden dort abgestoßen und fliegen zurück. Da das Eintrittsfenster<br />
der Falle geschlossen wurde, indem man die Bodenelektrode innerhalb von<br />
einer 20milliardstel Sekunde auf eine negative Spannung von 3 kV gelegt hat,<br />
oszillieren die Antiprotonen nun zwischen den Elektroden auf und ab und<br />
durchdringen dabei immer wieder die Elektronenwolke. Durch die Stöße der<br />
Elektronen werden die Antiprotonen weiter gekühlt, bis nach etwa zwei Minuten<br />
ein thermisches Gleichgewicht besteht. Die Elektronen werden anschließend<br />
mit Hilfe von Radiowellen aus der Falle entfernt.<br />
1 Niedrige Energie gibt man üblicherweise in Temperatureinheiten an: 0,25 eV ≙ 400 K<br />
siehe [8]<br />
14
3.3.1.2 Kühlung von Antiprotonen mit Hilfe von Positronen<br />
Die Funktionsweise hier unterscheidet sich von der gerade beschriebenen in<br />
einem wichtigen Punkt. Die Kühlung der Antiprotonen erfolgt nicht durch<br />
Elektronen, sondern durch Positronen, also durch Antiteilchen<br />
entgegengesetzter Ladung. Das erste Problem ist hier die Kühlung der<br />
Positronen, welches durch eine simple Eigenschaft des Feldes gelöst wird. Die<br />
heißen Positronen folgen der Kreisbahn des Magnetfeldes und kreisen mit einer<br />
Frequenz von 100GHz, was sie beschleunigt und dazu bringt, einen Großteil<br />
ihrer Energie als elektromagnetische Strahlung abzugeben. So kühlen sie sich<br />
in weniger als einer Sekunde auf das Temperaturniveau der Falle ab und sind<br />
zur Kühlung von Antiprotonen bereit.<br />
Die Antiprotonen treten nun wie oben bereits beschrieben in die Falle ein,<br />
oszillieren zwischen den Elektroden und werden durch die Stöße der<br />
Positronen gekühlt.<br />
Das zweite Problem welches durch die entgegengesetzte Ladung der<br />
Teilchenarten in einem Magnetfeld entsteht, wurde von Gerald Gabrielse mit<br />
Hilfe eines M-förmigen geschachtelten elektrischen Potentials in der Penning-<br />
Falle gelöst. Dieses Potential hält die Positronen im zentralen Wall, wobei die<br />
Antiprotonen von den seitlichen Wänden des Potentials eingeschlossen<br />
werden. 1<br />
2 Diese Grafik zeigt das elektrische Potential und wie die Positronen und Antiprotonen in ihm<br />
gespeichert werden.<br />
1 Vgl. [4] S.172<br />
2 Siehe [4]<br />
15
3.3.1.3 Lagerung und Herstellung von Antiwasserstoff<br />
In der Falle befinden sich nach 3.2.1.2 nun gekühlte Antiprotonen und<br />
Positronen, welche sich zu Antiwasserstoff rekombinieren. Da Antiwasserstoff<br />
ein elektrisch neutrales Atom ist hat das Magnetfeld keinen direkten Einfluss auf<br />
dieses. Das Anti-Atom bewegt sich also unkontrolliert durch den Raum und trifft<br />
auf eine Außenwand der Falle, wo es mit einem Atom der Wand annihiliert. Die<br />
dabei entstehenden Zerstrahlungsprodukte können nachgewiesen werden und<br />
es ist bewiesen, dass in der Falle Antimaterie hergestellt wurde.<br />
Da man die Antimaterie nicht nur in der Falle herstellen, sondern auch lagern<br />
möchte, muss man sich einen weiteren Effekt der Falle zu Nutze machen.<br />
Im folgenden Absatz werde ich den Begriff "magnetisches Moment"<br />
gebrauchen, den wir zum Verständnis hier vorher kurz erklären möchten.<br />
Jedes Atom hat eine magnetische Ausrichtung, welche man das magnetische<br />
Moment nennt. In einem Magnetfeld versuchen Atome sich deshalb nach der<br />
Richtung der magnetischen Feldlinien B <br />
auszurichten.<br />
Die Gradienten des Magnetfeldes haben Auswirkungen auf das magnetische<br />
Moment des Antiwasserstoffatoms, also muss man ein zusätzliches Feld<br />
erzeugen, welches möglichst nicht die Homogenität des Feldes der Falle<br />
gefährdet, da sonst die Stabilität der Positronenwolke nicht gewährleistet ist,<br />
allerdings die größtmögliche Auswirkung auf die Anti-Atome hat. Zusätzlich<br />
muss der Gradient im Fallenmittelpunkt liegen, damit möglichst viele Antiatome<br />
dorthin gelangen.<br />
Experimente haben ergeben, dass ein Multipolfeld mit einem Verlauf von<br />
B(r) =ksr (s-1)<br />
(s ist die Ordnung des Multipols,<br />
ks ist eine Konstante, die so gewählt ist, dass das Magnetfeld an den Elektroden<br />
im Betrag gleich ist.)<br />
16
und höherer Ordnung diese Bedingungen am ehesten erfüllt. Ein Dekapolfeld<br />
zum Beispiel kann die Positronenwolke bis zu 12 Minuten lang stabilisieren.<br />
Die Auswirkungen auf das magnetische Moment des Anti-Atoms ist allerdings<br />
nicht sehr groß, was dazu führt, dass nur Anzahlen im Promillebereich der<br />
hergestellten Antiwasserstoffatome in der Penning-Falle gespeichert werden<br />
können.<br />
Dies ist der derzeitige Stand der Forschung, das Problem der effektiven<br />
Lagerung von Antiteilchen ist also noch nicht gelöst.<br />
17
4. Energie aus Antimaterie<br />
Wenn man sich nur vor Augen führt, dass bei der Annihilation von einem<br />
Teilchen mit seinem Antiteilchen die gesamte Masse als Energie frei wird, die<br />
Effizienz also bei 100% liegt (zum Vergleich: die Effizienz der Kernspaltung liegt<br />
bei etwa 1,5% ), so kommt die Frage nach Antimaterie als Energiequelle auf, da<br />
eine effizientere Art der Energiegewinnung derzeit nicht bekannt ist. Auf den<br />
ersten Blick wirkt die Antimaterie-Materie-Annihilation wie die Antwort auf das<br />
derzeitige Energieproblem, vor allem in Zeiten von Ressourcenknappheit,<br />
allerdings machen ein paar Tatsachen einen Strich durch die Rechnung. Allein<br />
der jährliche Stromverbrauch des LHC liegt bei 1.200 Millionen kWh ( entspricht<br />
dem Stromverbrauch von 400.000 Zweipersonenhaushalten) [9] , außerdem<br />
gehen unter Anderem bei der Kühlung der Antiprotonen 1 etwa 99,9% der<br />
produzierten Antiprotonen verloren und das verwendete Verfahren der<br />
Lagerung von Antiatomen 2 wirkt nur auf Anzahlen im Promillebereich der<br />
produzierten Antiatome. Die Produktion von Antimaterie ist also sehr ineffizient<br />
und teuer, was die Antimaterie-Materie-Annihilation, nach heutigem<br />
Wissensstand, als Energiequelle nicht rentabel macht. Auch weitere<br />
Forschungen in diese Richtung erübrigen sich, da man zur Herstellung von<br />
Antiteilchen immer Maschinen brauchen wird die Energie verbrauchen und<br />
diese wird größer sein als die bei der Annihilation freiwerdende. 3<br />
Die einzige Möglichkeit die Annihilationsenergie zu nutzen würde bestehen,<br />
wenn man irgendwo, zum Beispiel im All, Antimaterievorkommen finden würde,<br />
denn dann wäre die lange und teure Produktion auf der Erde hinfällig, allerdings<br />
wurde bereits festgestellt, dass in einem Umkreis von mehreren Milliarden<br />
Lichtjahren um die Erde herum keine Antimaterieplaneten oder Ähnliches zu<br />
finden sind. 4<br />
4.1 Missbrauch 5<br />
Wie bei jeder Art der Energiegewinnung wurde und wird auch über eine Bombe<br />
diskutiert, die ihre Energie aus der Antimaterie-Materie-Annihilation bezieht.<br />
1 Siehe 3.2 Kühlung und Lagerung<br />
2 Siehe 3.2.1.3 Lagerung und Herstellung von Antiwasserstoff<br />
3 Vgl. [10]<br />
4 Vgl. [10]<br />
5 Vgl. [10]<br />
18
Eine solche Antimateriebombe hätte auf Grund der Energieeffizienz von 100%<br />
schon bei verhältnismäßig geringer Menge Sprengstoff (hier: Sprengstoff =<br />
Antimaterie) eine sehr große Sprengkraft. So würden bei der Annihilation von<br />
1g Antimaterie mit 1g Materie<br />
freigesetzt werden.<br />
E= 0,002 · (300.000.000)² kg m²<br />
s² = 1,8 · 1014 J = 180 · 10 12 J<br />
Zum Vergleich: Die Atombombe die Hiroshima zerstörte hatte eine Sprengkraft<br />
von 20 kt TNT, bei der Explosion sind 4,2 · 10 14 J freigesetzt worden.<br />
Die gerade beschriebene Antimateriebombe hätte also eine Sprengkraft von:<br />
180<br />
=42,8kt TNT<br />
4,2<br />
Man würde also etwa 0,5g Antimaterie herstellen müssen, um die Sprengkraft<br />
der Hiroshima-Bombe zu erreichen, die zusätzlich benötigten 0,5g Materie<br />
lassen sich bekanntlich leicht finden.<br />
Das Problem, welches die Antimateriebombe zur Illusion macht, ist, dass zum<br />
Beispiel das CERN nur etwa 10 7 Antiprotonen pro Sekunde produziert. Da sich<br />
in einem Gramm Antiwasserstoff 6 · 10 23 Antiprotonen befinden, müsste das<br />
CERN<br />
6·10 23<br />
10 7 =6 ·1016 s also<br />
6·10 16<br />
3 ·10 7 =2 ·109 =2 Milliarden Jahre für 1g, also 1 Milliarde Jahre<br />
arbeiten, nur um genügend Antiprotonen zu produzieren. Den Verlust von etwa<br />
99,9% der Antiprotonen bei der Kühlung und Lagerung kann man bei dieser<br />
Überlegung vernachlässigen, da die lange Produktionszeit allein das Vorhaben<br />
in näherer Zukunft eine adäquate Antimateriebombe zu bauen sehr<br />
unrealistisch macht.<br />
19
5. Fazit<br />
Nachdem wir nun wissen, dass Antimaterie nur für Vergleichsforschungen<br />
hergestellt wird und keines der momentan vorhandenen großen Probleme der<br />
Menschheit lösen kann (wenn man von der geringen Chance absieht, dass<br />
Antiteilchen zur Behandlung von Tumoren verwendet werden könnten), so<br />
drängt es sich geradezu auf, die Frage nach dem Sinn zu stellen. Der extrem<br />
hohe Aufwand, der betrieben wird um Antimaterie herzustellen ist nahezu<br />
unglaublich. Es werden viele riesige Teichenbeschleunigerkomplexe und<br />
dazugehörige Labore an verschiedenen Standorten gebaut, welche an<br />
ähnlichen Projekten forschen, obwohl es sowohl Energie als auch Geld sparte,<br />
würde man diese Forschungszentren zusammenlegen.<br />
Um die hohen Kosten zu verdeutlichen, schauen wir uns einfach mal den LHC<br />
und das CERN an. Der LHC kostete 2,2 Milliarden Euro [1 und hat einen<br />
jährlichen Stromverbrauch von 1.200 Millionen kWh. Das CERN hat einen<br />
Jahresetat von 650 Millionen Euro 2 , den Deutschland zu etwa 20% finanziert<br />
(Deutschland liegt damit auf Platz 1 der CERN-Geldgeber) . Sowohl das Geld<br />
als auch die Energie könnte, vor allem in dieser Zeit in der fast jeder vom<br />
Sparen spricht, sinnvoller genutzt werden.<br />
Da die Antimaterieforschung nur noch zu Vergleichszwecken und Erforschung<br />
der wirklich kleinsten Teilchen dient und sich dieses Unterfangen<br />
wahrscheinlich als immer schwieriger erweisen wird, ist zu erwarten, dass die<br />
Kosten noch weiter steigen.<br />
Wenn nun noch der Umstand, dass sich der Großteil der Menschheit für diese<br />
Thematik wohl nicht interessiert, dazu kommt, wird eventuell der Ruf nach der<br />
Einstellung der Forschung auf diesem Gebiet laut, aber da nunmal auch<br />
Minderheiten beachtet werden müssen, kann man dies hier unmöglich fordern.<br />
Was man allerdings fordern kann ist die Zusammenlegung von<br />
Kernforschungszentren um somit Kosten und Energie zu sparen.<br />
Um auch ein paar Worte über die Wahl des Themas für eine <strong>Facharbeit</strong> zu<br />
verlieren:<br />
Wir persönlich finden das Thema an sich sehr interessant, vor allem wenn man<br />
die Realität mit den Vorstellungen der meisten Laien zum Beispiel zum Thema<br />
1 Siehe [11]<br />
2 Siehe [12]<br />
20
Antimateriebombe verlgeichen kann. Allerdings ist unserer Meinung nach die<br />
Forschung wohl sehr bald, also sobald die Lagerung von Antiatomen effizient<br />
möglich ist, an einem Punkt angekommen, an dem das erlangte Wissen<br />
ausreicht. Wahrscheinlich wird es dann auch um einiges einfacher sein eine<br />
<strong>Facharbeit</strong> über Antimaterie, ihre Bedeutung und Grundlagen in der<br />
Teilchenphysik zu schreiben, da man sich mit gelösten Problemen<br />
auseinandersetzen kann.<br />
21
6. Quellenverzeichnis<br />
[1] Helmut Hilscher: Elementarteilchen, Köln 1980<br />
[2] Dieter B. Herrmann: Antimaterie, Auf der Suche nach der Gegenwelt,<br />
München 1999<br />
[3] L.J. Tassie: Physik der Elementarteilchen, Oldenbourg 1977<br />
[4] Physik in unserer Zeit 4/2007, Alban Kellerbauer: Antimaterie - Spiegelbild<br />
oder Zerrbild<br />
[5] Hänsel / Neumann: Physik, Atome - Atomkerne - Elementarteilchen, Berlin<br />
1995<br />
[6] Spektrum der Wissenschaft 3/1980, Robert R. Wilson, Die nächste<br />
Generation der Teilchenbeschleuniger<br />
[7] Physik in unserer Zeit 2/2008, Thomas Müller: Der Large Hadron Collider -<br />
die Entdeckungsmaschine<br />
[8] Spektrum der Wissenschaft 2/1993, Gerald Gabrielse: Kühlung und<br />
Speicherung von Antiprotonen<br />
[9] http://www.physikblog.eu/2008/09/02/cerned-lhc-von-der-flasche-zum-<br />
karussell/ - Stand: 15.03.2009<br />
[10] http://public.web.cern.ch/public/en/Spotlight/SpotlightAandD-en.html -<br />
Stand: 17.03.2009<br />
[11] Physik Journal2/2003, Stefan Jorda : CERN auf LHC-Kurs<br />
[12] Physik Journal 7/2008, Stefan Jorda: Licht ins dunkle Universum bringen<br />
[13] http://public.web.cern.ch/public/en/Research/CPViolation-en.html - Stand:<br />
17.03.2009<br />
[14] www.e18.physik.tu-muenchen.de/skript/Synchrotron.html - Stand<br />
16.03.2009<br />
[15] www.images.google.de<br />
[16] http://www.drillingsraum.de/room-quarks/quarks.html - Stand: 17.03.2009<br />
22
7. Anhang<br />
Abb. 1: Unterteilung der Elementarteilchen<br />
Abb. 2: Prinzipieller Aufbau eines Linearbeschleunigers<br />
[15] →http://leifi.physik.uni-<br />
muenchen.de/web_ph12/grundwissen/11ver_kernph/image055.jpg<br />
23
Abb. 3: Prinzipieller Aufbau eines Synchrotrons<br />
Quelle: [15] → http://fi.edu/guide/jones/synchrotron.gif<br />
Abb. 4 Prinzipieller Aufbau eines Zyklotrons<br />
Quelle: [15] →<br />
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7e/Zyklotron_Schema.gif<br />
- Stand 17.03.2009<br />
24
Abb. 5: Allgemeiner Aufbau der Teilchenbeschleuniger am CERN<br />
Quelle: [15]→<br />
http://bigscience.web.cern.ch/bigscience/Objects/LHC/accelerator.jpg<br />
25
Erklärungen<br />
1 Hiermit erklären wir, dass wir die vorliegende <strong>Facharbeit</strong> selbstständig<br />
angefertigt, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt<br />
und die Stellen der <strong>Facharbeit</strong>, diem im Wortlauf oder im<br />
wesentlichen Inhalt aus anderen Werken entnommen wurden, mit<br />
genauer Quellenangabe kenntlich gemacht haben.<br />
2 Wir haben zur Kenntnis genommen, dass unsere <strong>Facharbeit</strong> von den<br />
Lehrern und Lehrerinnen des Gymnasiums Wesermünde eingesehen<br />
werden dürfen. Die Weitergabe und Einsichtnahme Dritter ist nach<br />
Archivierung der Arbeit nur mit unserem Einverständnis statthaft.<br />
3 Wir haben zur Kenntnis genommen, dass die Vervielfältigung ( auch in<br />
Ausschnitten) der korrigierten <strong>Facharbeit</strong> verboten ist.<br />
Budau, Nicola<br />
Runge, Birte<br />
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