Jahresarbeit Antimaterie

GYMNASIUM LOBEDA OST - JENA
JAHRGANGSSTUFE 11
JAHRESARBEIT
IM LEISTUNGSKURS PHYSIK
EIN ÜBERBLICK ZUR ANTIMATERIE
VERFASSER: TONI KRESKA
NOTE:
BETREUER: HERR ANDRÄ
PUNKTZAHL:
BEARBEITUNGSZEIT: 45 STUNDEN
ABGABETERMIN: 19.4.1999
UNTERSCHRIFT DES BETREUERS:
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INHALTSVERZEICHNIS
1. EINLEITUNG
2. DAS SPIEGELBILD DER MATERIE
2.1. ANTIMATERIE - WAS IST DAS?
2.2. DIE ANNIHILATION
2.3. DIE THEORIE DER NEGATIVEN MASSE
3. DIE ENTDECKUNGSGESCHICHTE DER ANTIMATERIE
3.1. EIN ALLGEMEINER ÜBERBLICK
3.2. DIRAC’S ANTIMATERIETHEORIE
3.3. ANDERSON’S NEBELKAMMEREXPERIMENT
3.3.1. DIE KOSMISCHE HÖHENSTRAHLUNG
3.3.2. DIE ENTDECKUNG DES ERSTEN ANTITEILCHENS
4. WO EXISTIERT ANTIMATERIE?
5. DAS AUFSPÜREN VON ANTIMATERIE
5.1. DAS HEAT EXPERIMENT
5.1.1. STUFE 1 - DER DURCHGANGSDETEKTOR
5.1.2. STUFE 2 - DAS MAGNETSPEKTROMETER
5.1.3. STUFE 3 - DAS KALORIMETER
5.2. DAS AMS DER ISS.
6. DIE KÜNSTLICHE HERSTELLUNG VON ANTIMATERIE
6.1. FERMILAB - ANTIPROTONEN
6.2. CERN - ANTIHYDROGEN
7. DIE AUFBEWAHRUNG VON ANTIMATERIE
8. WOZU KANN ANTIMATERIE BENUTZT WERDEN?
8.1. DER ANTIMATERIEANTRIEB
8.2. DIE ANTIMATERIEBOMBE
9. SCHLUSSWORT
10. ANMERKUNGEN
11. QUELLENVERZEICHNIS
12. LITERATURVERZEICHNIS
13. SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG
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ANTIMATERIE
1. EINLEITUNG
Dieses Jahrhundert war für Wissenschaftler ein Jahrhundert voller
Umwürfe alter Theorien und neuer Entdeckungen. Besonders Einsteins
Relativitätstheorie und die neue Quantentheorie haben viele neue
Fragen aufgeworfen. Ein Wissenschaftler namens Dirac hat sich einer
Frage angenommen, die diese Theorien aufgeworfen haben, der Frage
einer negativen Energie E=-mc 2 , der Antimaterie. Diese Antimaterie hat
erneut andere Wissenschaftler zur Verzweiflung gebracht und doch gibt
es sie und mit ihr viele neue Fragen aber auch Antworten für andere
Fragen. Aus diesem Grund möchte ich mich in meiner Jahresarbeit über
das Phänomen Antimaterie in groben Zügen äußern, denn das Thema
Antimaterie ist zu umfangreich, um sie auf wenigen Seiten abzuklären.
Deutsche Literatur zur Antimaterie ist knapp, aber es gibt zum Glück
das Internet über das man an Unmengen von (meist amerikanischen)
Informationen gelangt. Deshalb gilt mein besonderer Dank all denen,
die diese Informationen ohne Vergütung zur Verfügung gestellt haben
und mir somit erst eine objektive Sicht auf dieses Thema ermöglicht
haben.
2. DAS SPIEGELBILD DER MATERIE
2.1. ANTIMATERIE - WAS IST DAS?
Bevor ich den Begriff Antimaterie definieren werde, möchte ich kurz
darauf eingehen, was Materie im physikalischen Sinne darstellt.
Materie besitzt einerseits die Eigenschaft einen bestimmten Raum
einzunehmen und andererseits Eigenschaften, wie Gravitation und
Massenträgheit. Materie besteht aus einzelnen Molekülen, diese setzen
sich aus Atomen zusammen, welche wiederum aus den einzelnen
Elementarteilchen (Partikeln) Elektronen (e), Protonen (p) und
Neutronen (n) bestehen. Protonen stellen dabei die positiv geladenen
Partikel dar, Elektronen die negativ geladenen Partikel, die aufgrund
von Anziehungskräften zwischen diesen gegensätzlichen Ladungen nach
dem Prinzip des Bohrschen Atommodells in konzentrischen Bahnen um die
Protonen kreisen, die im Atomkern zusammen mit den Neutronen
zusammengefaßt sind. Neutronen besitzen zwar keine Ladung, spielen
allerdings in Sachen Kernstabilität (ohne Neutronen würden sich die
Atomkerne aufgrund der Abstoßungskräfte zwischen den Protonen
auflösen) und bei den elektromagnetischen Eigenschaften des Atoms eine
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wichtige Rolle. Ein weiteres wichtiges Teilchen, außerhalb des Atoms,
ist das Photon, welches weder Masse noch Ladung noch ein magnetisches
Moment besitzt, aber dennoch zu den Teilchen zählt.
Wie also kann man sich Antimaterie vorstellen. Im Grunde genommen ist
Antimaterie nichts anderes als ein Spiegelbild der Materie, wie es der
Präfix ‘Anti’ (griech. = Gegenteil) bereits aussagt, obwohl
Antimaterie nicht das Gegenteil von Materie ist, aber dazu in
Abschnitt 2.3. mehr. Die zu den Teilchen der Atome äquivalenten
Teilchen der Antiatome sind Positron (Antielektron - e + ), Antiproton (
p ) und Antineutron ( n ). Der Unterschied zwischen den Teilchen des
Atoms und denen des Antiatoms liegt im Vorzeichen ihrer Ladung und in
den elektromagnetischen Teilcheneigenschaften. Außerdem gibt es
Unterschiede im Bereich des Isospins, der Leptonenzahl 1) , der
Baryonenzahl (Baryonen sind unter anderem Protonen und Neutronen), der
Seltsamkeit (Seltsame Partikel, Strangeness) und der internen Parität
(Gleichheit). Alle anderen Eigenschaften, wie z.B. Masse, Spin 2) und
Teilchenzerfall sind identisch zum Atom. Positronen sind demnach
positiv geladen und kreisen ebenfalls in konzentrischen Bahnen um die
negativ geladenen Antiprotonen, die im Antiatomkern zusammen mit den
Antineutronen vereint sind. Daraus läßt sich schließen, daß sich
Stoffe aus Antimaterie haargenau so verhalten müssen, wie Stoffe aus
„gewöhnlicher“ Materie. Es können demnach auch ganze Welten, sogar
ganze Galaxien aus reiner Antimaterie bestehen und diese Galaxien
würde sich nicht anders verhalten, als unsere. Lebewesen aus
Antimaterie wären genauso lebensfähig wie Lebewesen aus Materie.
Photonen haben keine Antiteilchen, da sie ihre eigenen Antiteilchen
darstellen, denn die Eigenschaften, in denen sich Materie von
Antimaterie unterscheidet, besitzen sie, wie oben gesagt, nicht.
Um den Umfang dieser Jahresarbeit nicht zu sprengen, möchte ich nur
kurz auf Quarks eingehen. Hadronen 3) bestehen aus sogenannten Quarks.
Diese Quarks sind in 6 Gruppen eingeteilt, den „Up“-Quarks, den
„Down“-Quarks, den „Strange“-Quarks, den „Charm“-Quarks, den „Bottom“-
Quarks und den „Top“-Quarks. Auch diese Quarks besitzen jeweils ein
Antiquark. Das Besondere an Quarks ist, daß diese immer eine Ladung
besitzen. Protonen setzen sich zum Beispiel jeweils aus 3 Quarks
zusammen, und zwar zwei Up-Quarks mit einer Ladung von
+ 2 3
⋅ 1, 6 ⋅ 10E
− 19
und einem Down-Quark mit einer Ladung von
− 1 3
⋅ 1, 6 ⋅ 10E
− 19
. Antiprotonen setzen sich aus zwei Anti-Up- und einem
Anti-Down-Quark zusammen. Mesonen bestehen sogar aus einem Quark-
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Antiquark-Paar und zwar einem Up-Quark und einem Anti-Down-Quark. Da
es zwei unterschiedliche Typen sind, annihilieren sie nicht. Anhand
von Quarks läßt sich auch der Unterschied zwischen einem Neutron und
einem Antineutron besser erklären. Nach außen hin sind Neutronen
neutral, sie bestehen aber aus 2 geladenen Down-Quarks und einem
geladenen Up-Quark, welche sich in ihrer Ladung gegenseitig aufheben.
Ein Antineutron besteht aus 3 Antiquarks mit jeweils der
entgegengesetzten Ladung und ist deshalb ebenfalls neutral.
2.2. DIE ANNIHILATION
Würden sich die weiter oben genannten Wesen gegensätzlicher
Materiearten ‘die Hand geben’, käme es zu einer gigantischen
„Auslöschung“ (Annihilation) beider Wesen. Der Begriff „Auslöschung“
ist dabei nicht ganz korrekt, denn was geschieht, ist die Umwandlung
der gesamten Materie bzw. Antimaterie in Energie in Form von
Gammastrahlung und kurzlebigen Partikeln (Pi-Mesonen und Pionen) unter
Geltung aller bekannten Energieerhaltungssätze. Um genau zu sein, wird
ein Elektron, welches auf ein Positron stößt, in durchschnittlich zwei
Photonen (Energieträger - Gammastrahlung) mit jeweils 511 keV
umgewandelt. Die beiden Photonen bewegen sich in unterschiedliche
Richtungen, da nicht nur die Energie sondern auch der Impuls bewahrt
werden muß. Eine Proton-Antiproton-Annihilation läuft folgendermaßen
ab:
1. Proton + Antiproton à 1.5(+Pion) + 1.5(-Pion) + 2(neutrales Pion)
2. Neutrales Pion à 2 Photonen (7*10^-8 Sekunden)
3. +/- Pion à +/- Myon + Neutrino (7*10^-8 Sekunden),
4. +/- Myon à Elektron/Positron + 2 Neutrinos (6.2*10^-6 Sekunden)
5. Positron + Elektron = 2 Photonen
Was passiert, wenn Quarks auf Antiquarks treffen, kann aus dem
sogenannten Standard Modell, der bisher durchsetzungsfähigsten
Quantenfeldtheorie, abgeleitet werden.
2.3. DIE THEORIE DER NEGATIVEN MASSE
Dirac, der Entdecker der Antimaterie im theoretischen Sinne, dachte
zuerst, daß die Antimaterie sich ebenfalls im Bereich der Masse von
der Materie unterscheiden müsse, d.h. Antiteilchen müßten eine
negative Masse besitzen. Nehme man Isaac Newtons Bewegungsgesetz,
welches besagt, daß sich eine Masse auf die eine Kraft einwirkt in
Kraftrichtung bewegt, so würde sich ein Körper mit negativer Masse,
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den man zu sich zieht, entfernen und würde man ihn wegstoßen, käme er
der Kraftwirkung entgegen.
Materie:
a =
F
m
Antimaterie:
a
F
= − m
Das gleiche Prinzip ließe sich nun auch auf die Gravitation anwenden.
Antimaterie mit negativer Masse würde also Antigravitation
hervorrufen. Antimaterie würde auf der Erde nach oben fallen.
Antimaterie Materie:
Antimaterie Antimaterie:
F
g =
F
− m1 ⋅ m 2
G ⋅
r ² à Körper stoßen sich ab
g =
− m ⋅ − m
G ⋅
r
1 2
² à Körper ziehen sich an
Etwas für den „normalen“ Physiker schier Unvorstellbares würde sich
schlußfolgernd ereignen, wenn ein Körper A mit positiver Masse, also
aus Materie, sich einem Körper B mit negativer Masse, also aus
Antimaterie, annähern würde. Vorausgesetzt die Massen wären gleich
groß, würde Körper B den Körper A abstoßen. Genauso stößt auch Körper
A den Körper B ab, dieser allerdings bewegt sich aufgrund der
Abstoßung und seiner negativen Masse auf Körper A zu. Das Resultat
wären zwei sich gegenseitig aus eigener Kraft beschleunigende Körper.
Das klingt unmöglich und ist es auch, wie sich durch Untersuchungen
herausgestellt hat. Die Theorie in sich ist jedoch korrekt. Es wird
zwar angenommen, daß Antimaterie Antigravitation besitzt, nur keine
negative Masse, die zwei Körper stoßen sich deshalb lediglich ab und
entfernen sich beide voneinander. Wie oben schon gesagt ist unter
anderem daher Antimaterie nicht das komplette Gegenteil von Materie,
denn sonst müßte man eine negative Masse voraussetzen.
3. DIE ENTDECKUNGSGESCHICHTE DER ANTIMATERIE
3.1. EIN ALLGEMEINER ÜBERBLICK
Entdeckt wurde die Antimaterie erst in diesem Jahrhundert. Zu einem
früheren Zeitpunkt, d.h. vor dem 1. Weltkrieg, wäre eine Entdeckung
wie diese kaum möglich gewesen, denn die Technik war noch nicht
ausgereift genug und das nötige Wissen fehlte, z.B. die
Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Im Gegenteil zu vielen
anderen wichtigen Entdeckung, z.B. den Röntgenstrahlen, wurde die
Existenz der Antimaterie nicht durch einen Zufall entdeckt, sondern
1928 von dem englischen Physiker Paul A. M. Dirac aus formalen
Überlegungen heraus, d.h. rein theoretisch. Deshalb existierte die
Antimaterie zu dieser Zeit nur auf dem Papier, aber andere
Wissenschaftler ließen sich durch Dirac’s Spekulationen zu weiteren
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Forschungen anregen, so daß sich dieser rein theoretische Bestand der
Antimaterie bald ändern sollte, denn bereits 4 Jahre später entdeckte
Carl D. Anderson, ein Experimentalphysiker aus Kalifornien, das erste
Antiteilchen, indem er kosmische Höhenstrahlung in einer Nebelkammer
untersuchte. Aber auch dieses Experiment stellte nur eine Vermutung
dar und keinen wissenschaftlich fundierten Nachweis. Doch 1955 sollte
es im Lawrence Berkeley Laboratorium in Berkeley, Kalifornien, mit
Hilfe eines Teilchenbeschleunigers gelingen. Durch dieses Experiment
wurde die Antimaterie experimentell nachgewiesen. Nachdem die
Antimaterie jetzt erwiesenermaßen existierte, wollte man natürlich
nähere Untersuchungen anstellen, da aber Antimaterieteilchen auf der
Erde in reiner Form nicht lange existieren können, mußte man
herausfinden, wie Antimaterieteilchen künstlich hergestellt werden
können. So wurde das erste Antiwasserstoffatom erst vor 4 Jahren, also
1995, von Wissenschaftlern des CERN, dem europäischen Laboratorium für
Teilchenphysik in der Nähe von Genf, hergestellt. Dieses
Antiwasserstoffatom kann bisher allerdings nur kurzzeitig in einem
stabilen Zustand gehalten werden, wodurch genauere Untersuchen sehr
erschwert werden. Die Herstellung von Antiprotonen stellt heute
allerdings kein Problem mehr dar, sie könne sogar für längere Zeiten
aufbewahrt werden.
3.2. DIRAC’S ANTIMATERIETHEORIE
Nachdem Einstein seine Relativitätstheorie und die Quantenphysiker
später ihre Theorie der Quantenmechanik aufgestellt hatten, gab es
einige Versuche, diese beiden Theorien, die eine im Makrokosmos, die
andere im Mikrokosmos gut bewährt, miteinander zu verbinden. Der
erste, dem dies gelang, hieß Paul Adrien Maurice Dirac (1902 - 1984).
Dirac, der in Bristol, England, geboren wurde und dort in Cambridge
studierte, stellte 1928 eine Theorie auf, die die Quantenphysik mit
der Speziellen Relativitätstheorie verband und bis heute ihre
Gültigkeit, trotz einiger Neuentdeckungen, behalten hat. In dieser
Theorie bemerkte Dirac, daß es Lösungen zu bestimmten Fragen geben
kann, die auf den ersten Blick physikalisch nicht als sinnvoll
erscheinen. Stellt man zum Beispiel die Frage, welche Seitenlängen ein
quadratisches Feld mit einem Flächeninhalt von 4 Quadratkilometern
besitzt, würde man von einem Schüler die Antwort 2 Kilometer erhalten.
Ein peinlich genauer Mathematiker, zu denen man Dirac zählen konnte,
würde allerdings sagen +/- 2 Kilometer. Da dies physikalisch undenkbar
ist, läßt man die -2 Kilometer außen vor. Auch die Relativitätstheorie
läßt negative Energien zu, denn E=mc 2 ist nur die halbe Wahrheit.
Einsteins Gleichung, wie sie in der Relativitätstheorie verwendet
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wurde, lautete eigentlich E 2 =m 2 c 4 . Mathematisch ist demnach eine
negative Energie möglich. Dirac vertraute der Mathematik, wie schon
gesagt, sehr. Er dachte sich, wenn die Mathematik eine solche Lösung
liefert, dann muß diese in der Natur auch irgendeinen Sinn erfüllen.
Auf diese Art und Weise kam er zu der Erkenntnis, daß die Lösung dafür
eine Art Antimaterie darstellen könnte, sozusagen eine Materie mit
Minusvorzeichen, also den umgekehrten Ladungen. Die Antimaterie war
nun auf dem Papier geboren, stieß bei vielen Physikern allerdings auf
große Skepsis, denn schließlich sind Physiker keine Mathematiker und
für sie existiert nur genau das, was in der Natur auch nachgewiesen
werden kann. Ein Nachweis für die Existenz von Antimaterie mußte also
gefunden werden, und dies gelang dem amerikanischen Physiker namens
Carl Anderson (1905 - 91) 4 Jahre später.
3.3. ANDERSON’S NEBELKAMMEREXPERIMENT
Genau am 2. August 1932 fiel Carl Anderson bei der Untersuchung der
kosmischen Höhenstrahlung eine Ungewöhnlichkeit auf, die Dirac’s
Spekulation später bestätigen sollte.
3.3.1. DIE KOSMISCHE HÖHENSTRAHLUNG
Die kosmische Höhenstrahlung besteht aus hochenergetischen Partikeln,
die unablässig vom Weltraum auf die Erde einfallen und durch
astrophysikalische Hochenergiephänomene (z.B. Supernovae) entstanden
sind. Die kosmische Höhenstrahlung wird eingeteilt in:
Primärstrahlung, die maximal bis zu einer Höhe von 20 km
gelangt und zu 80% aus Protonen, 19% aus Alphateilchen und
einem Rest aus Li-, B-, C-, O- und N-Kernen zusammengesetzt
ist, wobei immer wieder neue Teilchen, wie Antiprotonen und
Isotope in geringen Mengen entdeckt werden
Sekundärstrahlung, die bis auf die Erdoberfläche gelangt, aber
durch die Interferenzen mit der Erdatmosphäre nur noch aus
Nukleonenkomponenten, Myonen, Elektronen/Positronen, Photonen
und Neutrinos besteht
3.3.2. DIE ENTDECKUNG DES ERSTEN ANTITEILCHENS
Anderson untersuchte die Sekundärstrahlung mit Hilfe einer
Nebelkammer. In der Nebelkammer durchlaufen die Partikel der
Höhenstrahlung ein Magnetfeld. Durch dieses Magnetfeld wird die Bahn
des Teilchens gekrümmt. Die Krümmung ist abhängig von der Ladung und
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der Masse des Teilchens oder besser gesagt dem Verhältnis dieser
beiden Größen.
e
m
=
2 ⋅ UB
r² ⋅ B ²
Da die Teilchen der Höhenstrahlung meist genau eine Elementarladung e
aufweisen, kann man um so genauer Masse und Geschwindigkeit des
Teilchens bestimmen.
v
=
2 ⋅ UB
⋅ e
m
e,U B =const. à
v
≈ 1
m
Die Krümmungsrichtung der Bahn hängt vom Vorzeichen der Ladung des
Teilchens ab. Ein Proton zum Beispiel wird in die entgegengesetzte
Richtung der eines Elektrons abgelenkt. Nun registrierte Anderson’s
Kamera eines Tages eine sehr ungewöhnliche Spur. An der Richtung
konnte man erkennen, daß es sich um eine positive Ladung handelte,
allerdings konnte es kein Proton sein, da das Teilchen die am Bahnende
befestigte Bleiplatte durchdrang, also eine sehr große Geschwindigkeit
hatte. Ein Proton mit dieser Geschwindigkeit würde aufgrund seiner
Masse aber einen wesentlich größeren Radius verursachen, als den auf
dem Foto zu erkennenden. Es mußte sich also um ein Teilchen mit einer
kleineren Masse als der des Protons handeln.
v
=
2 ⋅ UB
⋅ e
m
à
e
m
=
v ²
⋅
2 U B à
e
m
=
v ²
2 ⋅ U
B
=
2 ⋅ UB
r ² ⋅ B ²
à
1 1
≈
m v ² ≈
r ²
Dies regte Anderson zu weiteren Untersuchungen an, also berechnete er
aus der Spur vor und nach der Bleiplatte die Geschwindigkeit und somit
die Masse des Teilchen. Es stellte sich heraus, daß die Masse dieses
Teilchens, der Masse eines Elektrons entsprach. Die Existenz des
Positrons war nachgewiesen und das Positron wurde das erste
Antimaterieteilchen, welches je in der menschlichen Geschichte
dokumentiert werden sollte.
Der Nachweis von Antiprotonen sollte sich als wesentlich schwieriger
erweisen, da diese in der sekundären Höhenstrahlung nicht vorkommen.
Dies gelang erst 1955 im Lawrence Berkeley Laboratorium mit Hilfe
eines Teilchenbeschleunigers. Mehr zum Thema Teilchenbeschleuniger in
Abschnitt 6.1..
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4. WO EXISTIERT ANTIMATERIE?
Wie schon gesagt existiert Antimaterie in der kosmischen
Höhenstrahlung. Allerdings handelt es sich dabei nur um extrem kleine
Mengen, nur Partikel, keine Atome und erst recht keine Moleküle. Wo
also kann man größere Mengen dieser Antimaterie finden. Diese Frage
läßt sich leider noch nicht eindeutig beantworten, denn große Mengen
von Antimaterie oder gar ganze Galaxien aus Antimaterie wurden bisher
noch nicht entdeckt. Es scheint deshalb, daß die ‘gewöhnliche’ Materie
im Weltall dominiert. Um so umstrittener ist deshalb die Theorie, beim
Urknall müsse nach dem physikalischen Symmetriegesetz haargenau soviel
Antimaterie wie Materie entstanden sein. Wenn die Menge an Materie
gleich der an Antimaterie wäre, wo ist diese dann? Diese Asynchronität
muß durch diverse physikalische Prozesse hervorgerufen worden sein,
die ‘gewöhnliche’ Materie sozusagen bevorzugt haben. Um welche
Prozesse es sich dabei handelt, ist allerdings unklar.
Eine zweite Theorie besagt, daß beim Urknall eben nicht genauso viel
Antimaterie wie Materie entstanden sein soll, d.h. von Anfang an eine
Asynchronität bestand, das Symmetriegesetz daher beim Urknall nicht
exakt galt. Eine Untersuchung die diese Asynchronität beweisen soll,
ist die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung, die
sozusagen das Echo des Urknalls darstellt. Bei der Kollision zwischen
Protonen und Antiprotonen entstehen im Durchschnitt 6 Photonen.
Vorausgesetzt es existierten von Anfang an mehr Protonen als
Antiprotonen, so können nicht alle Protonen zerstrahlt worden sein.
Setzt man nun die Anzahl der übriggebliebenen Protonen ins Verhältnis
mit den, in der kosmischen Hintergrundstrahlung gemessenen Anzahl an
Photonen, ergibt sich ein Verhältnis von 1 zu 10 Milliarden. Daraus
folgt kurz nach dem Urknall kamen auf 10 Milliarden Antiprotonen 10
Milliarden und 1 Proton. Es bestand also ein ‘geringer’ Überschuß an
Materie, der ausgereicht haben muß, um all die uns bekannte Materie
darzustellen.
Am 30. April 1997 entdeckten einige amerikanische Astronomen einen
Positronenhaufen mit einer Breite von immerhin 4000 Lichtjahren. Diese
‘Wolke’ befindet sich 3500 Lichtjahre oberhalb des
Milchstraßenzentrums, was sehr ungewöhnlich ist, da dort keine
Sternentstehung stattfindet. Bislang hatte man solche Positronenhaufen
lediglich in Bereichen der Sternentstehung vermutet. Nun kommen drei
verschiedene Entstehungsmöglichkeiten in Betracht. Einerseits könnte
die Wolke durch einige Supernovae nahe dem galaktischem Zentrum
entstanden sein, andererseits auch durch die Kollision zweier
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Neutronensterne, denn wie schon gesagt, entstehen bei der Kollision
von Neutronen Positronen. Eine dritte Möglichkeit wäre ein schwarzes
Loch, was allerdings eher unwahrscheinlich ist.
5. DAS AUFSPÜREN VON ANTIMATERIE
5.1. DAS HEAT EXPERIMENT
Das HEAT Experiment kann man als Erweiterung Anderson’s Nebelkammer
Experiments bezeichnen. Bei diesem Experiment wird ebenfalls die
kosmische Höhenstrahlung untersucht, allerdings nicht die
Sekundärstrahlung, wie bei Anderson, sondern die um einiges
intensivere Primärstrahlung. Das komplette System ist transportabel.
Es ist an einen Heliumballon gebunden, mit dem es für zirka 32 Stunden
in 37 Kilometern Höhe, also in nahezu atmosphärenfreier Umgebung,
verharrt. In dieser Höhe ist die Höhenstrahlung sehr stark, da die
hochenergetischen Partikel nahezu
ungehindert bis zu diesem Punkt
vordringen können. Also ideale
Bedingungen zur Messung des Verhältnisses
zwischen Elektronen und Positronen, dem
Ziel von HEAT.
5.1.1. STUFE 1 - DER DURCHGANGSSTRAHLENDETEKTOR
Die Partikel der kosmischen Strahlung
gelangen durch eine Meßblende (TOF -
Time Of Flight System) in einen
Durchgangsstrahlendetektor (TRD -
Transition Radiation Detector), der aus
sechs übereinander liegenden
Polyethylenfaserschichten und 6 Kammern
gefüllt mit Xenon-Methan-Gas besteht.
Beim Passieren dieser Schichten unterschiedlicher dielektrischer
Konstanten produzieren Elektronen sowie Positronen denselben Wert an
Röntgenstrahlung. Protonen produzieren einen wesentlich geringeren
Wert an Röntgenstrahlung. Diese Röntgenstrahlung wird von dem Xenon-
Methan-Gas absorbiert und zusätzlich findet ein Ionisierungsverlust
statt, wenn ein geladenes Teilchen das Gas passiert. Die
Zusammenführung dieser beiden Energien kann für weitere Experimente
verwendet werden. Auf diese Weise kann man zum Beispiel Protonen von
Positronen und Elektronen unterscheiden.
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5.1.2. STUFE 2 - DAS MAGNETSPEKTROMETER
Als nächstes passieren die Partikel den Magnetspektrometer, der aus
einem supraleitenden Hohlkegelmagneten und einem äußerst präzisen
Ablenkrichtungsmeßgerät (DTH - Drift Tube Hodoscpope) besteht. Die
Bahnrichtungen, die die Partikel in dessen Magnetfeld einschlagen,
unterscheiden sich je nach Ladung. Der Radius der Bahn hängt von der
Masse des Partikels ab. Wenn ein geladenes Teilchen durch eines der
zahlreichen mit CO 2 Hexan-Gas gefüllten Röhren, aus denen das DTH
besteht, fliegt, wird ein elektrisches Signal erzeugt, welches von
einem dünnen Draht in der Mitte des Hohlkegelmagneten aufgefangen
wird. Die Entfernung des elektrischen Signals von diesem Draht wird
sehr genau gemessen. So können die Bahnen der Teilchen nachverfolgt
werden. Die Bahnen der Positronen und Elektronen haben den selben
Radius, aber eine unterschiedliche Bahnrichtung, die Bahn der Protonen
besitzt einen kleineren Radius.
5.1.3. STUFE 3 - DAS KALORIMETER
Der letzte Abschnitt des HEAT
ist ein elektromagnetisches
Kalorimeter (EC -
Electromagnetic Calorimeter),
welches aus einem Stapel von 10
Szintillatorplatten und jeweils
einer dazwischen liegenden
extrem dünnen Bleischicht
besteht. Werden diese
Bleiplatten von Protonen,
Positronen und Elektronen
passiert, produzieren sie
Schauer aus Sekundärpartikeln,
welche sich in den restlichen
Schichten ausbreiten.
Passieren geladene Partikel die
Szintillatorplatten, entsteht
Licht, welches von
Fototransistoren gemessen wird.
So kann die Sekundärpartikelmenge des Schauers gemessen werden, die
sich je nach Initiatorpartikel (Positron/Elektron oder Proton)
unterscheidet.
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Ein ähnliches Ballonexperiment stellt das IMAX (Isotope Matter
Antimatter Experiment) dar, welches für die Aufspürung von
Antiprotonen, Heliumisotopen und Hydrogenisotopen entwickelt wurde.
5.2. DAS AMS DER ISS
Das AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) ist ein neuer
Antimateriedetektor, der aus einer Kooperation der RWTH Aachen und
anderen internationalen Einrichtungen entstanden ist. Das AMS stellt
den ersten Detektor dar, der außerhalb der irdischen Atmosphäre seine
Messungen durchführen wird. Er wird dazu ab 2001 auf der
Internationalen Raumstation (International Space Station - ISS)
installiert und vorher auf der MIR getestet. So kann es die kosmische
Höhenstrahlung noch besser untersuchen als das HEAT Experiment. Das
AMS soll die Rätsel um den Verbleib der beim Urknall entstandenen
Antimaterie lösen. So müssen z.B. Antisterne auch in einer
Antisupernova enden. Das AMS soll bei den Antisupernovae entstandene
Teilchen aufspüren. Dies geschieht durch neue Systeme, wie dem
Antikoinzidenzzähler und dem Laser-Alinierungssystem, mit einer
10.000fach besseren Empfindlichkeit gegenüber dem HEAT Experiment.
Durch das AMS kann man bis in die hintersten Ecken des Universums
sehen und damit endgültig klären ob im Makrokosmos wirklich dieselben
Gesetze gelten, wie im Mikrokosmos.
6. DIE KÜNSTLICHE HERSTELLUNG VON ANTIMATERIE
Die Herstellung von Antimaterie in größeren Mengen erweist sich bis
heute als besonders problematisch. Zwar sind wir problemlos in der
Lage mehrere Milliarden Antiprotonen in nur einer Stunde zu
produzieren, jedoch ist die Energie, die diese Anzahl an Antiprotonen
besitzt, so gering, daß man damit nicht einmal eine simple Leuchtdiode
zum glühen anregen könnte. Wir sind also weit davon entfernt uns
Antimaterie wirklich praktisch nutzbar zu machen, denn dazu sind
weitaus größere Mengen an Antimaterie nötig, als wir bis jetzt
erzeugen können.
6.1. FERMILAB - ANTIPROTONEN
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Fermilab ist die Abkürzung für das Fermi National Accelerator
Laboratory, welches sich in der Nähe von Chicago, USA, befindet und
seit 1972 in Betrieb ist. Es wurde nach dem italienischen Physiker
Enrico Fermi benannt, wie auch das 100. Element „Fermium“ und die
Längeneinheit „Fermi“ (1 Fermi = 10 -13 cm), die zur Kernabmessung
verwendet wird. Beim Fermilab handelt es sich um den
Teilchenbeschleuniger (Synchrotron, Kreisbeschleuniger) mit dem
weltweit größten energetischen Potential. Außerdem besitzt es die
größte Antiprotonenlagerstätte dieses Planeten. Ich will hier nur auf
eine kleine Sektion des Fermilabs eingehen, nämlich den
Antiprotonengenerator. Der weitaus größere Teil des Fermilabs zur
Untersuchung der Antimaterie-Materie-Wechselwirkungen, „Tevatron“
genannt, der unglaubliche Teilchenenergien von bis zu einem
Teraelektronenvolt (TeV) erreicht, wird im folgenden Teil nicht
beachtet.
Wie werden Antiprotonen in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt?
Um ein Antiproton zu erzeugen, das war schon Dirac klar, benötigt man
wesentlich mehr Energie als die Entstehung von Positronen benötigt.
Die aufzuwendende Energie ist proportional zur Masse des Partikels, da
ein Proton die 1836fache Masse der eines Elektrons besitzt, benötigt
man demnach auch die 1836fache Energie der für die
Positronenentstehung aufgewendeten Energie. Zur Realisierung einer
künstlichen Antiprotonenquelle mußte man eine Technik erfinden, mit
der man subatomare Teilchen (dazu gehört das Proton) auf ein
ausreichend hohes Energieniveau beschleunigen kann. Diese Technologie
bot erstmals der Teilchenbeschleuniger. Das Grundprinzip eines
Teilchenbeschleunigers besteht darin, Teilchen mit Hilfe eines
Magnetfeldes auf eine hohe Geschwindigkeit zu bringen und entweder in
einem gebündelten Strahl auf ein Target (engl. = Zielscheibe) zu
richten, oder zwei gebündelte Strahlen beschleunigter Teilchen
miteinander kollidieren zu lassen. Im Fermilab findet die erste
Methode statt. Dabei wird ein gebündelter Protonenstrahl mit einer
Energie von 120 Billionen Elektronenvolt (eV) auf ein Lithium-Target
geschossen. Bei dieser Kollision entstehen Antiprotonen, wobei
durchschnittlich 20 Antiprotonen auf eine Millionen Protonen kommen.
In einer Stunde werden rund 60 Milliarden Antiprotonen erzeugt und in
den Lagerring abgeleitet, wo sie für weitere Experimente aufbewahrt
werden.
6.2. CERN - ANTIHYDROGEN
Mit Hilfe des LEAR, dem Antiprotonenspeicherring (siehe Punkt 7) des
CERNs, gelang es Antihydrogen, also mit jeweils einem Positron
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vereinigte Antiprotonen herzustellen, indem man Antiprotonen und
Xenon-Atome mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in einem Beschleunigerring
des CERNs kollidieren ließ. Durch die freigesetzten Energien entstehen
Elektron-Positron-Paare, und manchmal nähert sich eine Positron einem
Antiproton auf eine dermaßen kurze Distanz, daß das Antiproton dazu in
der Lage ist, das Positron einzufangen. So entstanden 11 Antiatome,
die sofort wieder annihilierten und dabei eine meßbare Strahlung
erzeugten. Leider konnte Antihydrogen noch nicht länger als 40
Nanosekunden stabil gehalten werden, zu wenig Zeit für genauere
Untersuchungen. Um also längere Existenzen zu ermöglichen, ist eine
andere Technik nötig. Gerald Gabrielse (Havard Universität), der schon
die Penning-Falle, welche in der Cryogenischen Antiprotonenfalle
(siehe Punkt 7) integriert ist, entwickelte, Michael Holzscheiter (Los
Alamos National Laboratory) und Theodor W. Hansch (Max Planck
Institut) versuchen genau diese Technik zu entwickeln. Elektrische und
magnetische Felder können theoretisch extrem kalte Antiprotonen und
Positronen so nah aneinander halten, daß sich diese vereinigen. Dieses
Prinzip wollen sich die drei Wissenschaftler zunutze machen, aber die
Realisierung ist noch einige Jahre von uns entfernt.
7. DIE AUFBEWAHRUNG VON ANTIMATERIE
Das Fermilab ist in der Lage zirka 10 Billionen Antiprotonen zu
lagern. Aber wie werden diese Mengen aufbewahrt, wo doch Antimaterie
nicht in Kontakt mit Materie kommen darf, also nicht einfach in ein
Gefäß aus Materie geschüttet werden kann?
Das Prinzip ist im Grunde genommen einfach. Wieder wird ein Magnetfeld
zur Hilfe genommen. In diesem Magnetfeld bewegen sich die elektrisch
geladenen Partikel auf einer stetig gleichbleibenden und durch die
magnetische Feldstärke veränderbaren Kreisbahn. Auf diese Weise kann
ein Kontakt der Antipartikel mit der Behälterwand verhindert werden.
Deshalb benötigt leider nicht nur die Herstellung sondern auch die
Aufbewahrung von Antiprotonen eine sehr große Energiemenge. Im
Fermilab ist dieser Behälter ein weiterer Magnetring, der direkt mit
dem Hauptproduktionsring verbunden ist.
Wie kann man Neutronen oder gar ganze Atome aufbewahren? Auf diese
Frage gibt es noch keine konkrete Antwort, aber ein Magnetfeld hilft
hier nicht weiter, denn Neutronen und Atome sind ja bekanntlich
neutral in ihrer Ladung.
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Ein anderes transportables (30cm im
Durchmesser) Aufbewahrungssystem nennt
sich „Cryogenische Antimateriefalle“.
Cryogenisch bedeutet auf extrem
niedrige Temperaturen (4 Kelvin)
gekühlt. Dieses System kann bis zu 10 14
Antiprotonen für maximal 120 Tage
aufbewahren, also die Zeit, die ein
Marstrip beanspruchen würde. Die am
Vakuum-Speisungseingang (Vacuum
Feedthroughs) ankommenden Antiprotonen
treten durch eine Elektrode, an der
100 Volt angelegt sind, und verlieren
dadurch einen Großteil ihrer Energie.
Dann wandert es durch den stabförmigen Behälter und durchwandert dabei
eine Elektronenwolke. An der oberen Elektrode, an der -3000 Volt
anliegen, wird es zurückgestoßen und durchläuft erneut die
Elektronenwolke. An der unteren Elektrode liegen nun auch -3000 Volt
an, so daß das Antiproton
erneut zurückgestoßen wird,
dies wiederholt sich bis das
Antiproton letztendlich durch die Abkühlung beim Passieren der
Elektronenwolke mitten in dieser nahezu zur Ruhe kommt (ca. 500 meV).
Auf die Elektronenwolke kann, wegen der externen Kühlung durch
flüssiges Helium (Helium hat bei 4 Kelvin seinen Siedepunkt) und
flüssiges Nitrogen, auch verzichtet werden.
8. WOZU KANN ANTIMATERIE BENUTZT WERDEN?
Antimaterie stellt durch die Annihilation mit Materie eine immense
Energiequelle dar, jedoch nur wenn Sie in größeren Mengen, d.h.
mehreren Kilogramm zu Verfügung steht. Im Abschnitt 6.1. nannte ich
eine Zahl von 60 Milliarden Antiprotonen, die in einer Stunde im
Fermilab produziert werden können, auf einen Tag hochgerechnet sind es
demnach rund 1,4 Billionen Antiprotonen. In einem Jahr ergibt sich
eine Menge von lediglich 0,85 Nannogramm 4) . Durch Annihilation der 1,4
Billionen Antiprotonen mit ebenso vielen Protonen, würde man lediglich
1 Watt nutzbar machen können, dabei ist ein Energieaufwand von 10 7 Watt
nötig, um die Annihilation im Tevatron überhaupt erst zu ermöglichen.
Also nicht gerade die wirtschaftlichste Energiequelle. Dennoch ist die
Antimaterie eine interessante Energiequelle auch für die Raumfahrt.
8.1. DER ANTIMATERIEANTRIEB
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Für einen Antimaterie-Materie-Annihilations-Antrieb würde man ungefähr
9 Kilogramm Antimaterie, also ungefähr die zehnbillionenfache Menge
der im Fermilab pro Jahr hergestellten Menge, benötigen, um das
Raumschiff auf ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.
Nach heutigen Produktionsmaßstäben also unmöglich.
Direkte Nutzung der entstehenden Strahlung als Schub wäre deshalb
äußerst uneffektiv. Wesentlich wahrscheinlicher ist da schon eine
Antimaterie-Materie-Annihilations-„Kochplatte“, die Wasserstoff
erhitzt, der über eine Düse abgestrahlt wird. Der resultierende Schub
würde ein Raumschiff theoretisch auf nahezu Lichtgeschwindigkeit
beschleunigen können und „nur“ 0,1 Gramm Antiprotonen für einen
Marstrip benötigen.
Eine Kombination zwischen Antimaterie- und Nuklearantrieb ist
ebenfalls wenig anspruchsvoll, was die benötigte Menge an Antimaterie
betrifft. Wenn ein Antiproton in eine Uraniumkapsel, welche kleine
Mengen an Deuterium und Tritium enthält, eingelassen wird und das
Antiproton ein Uraniumatom trifft, annihiliert es mit einem Proton des
Uraniumatomkerns. Die entstehenden Pionen lassen den Rest des
Atomkerns „explodieren“, wobei reichlich Neutronen freigesetzt werden.
Diese Kernspaltungsreaktion ruft eine Kettenreaktion hervor, die
genügend Hitze und Druck erzeugt, um eine Fusionsreaktion auszulösen.
Auf diese Weise würde schon ein kleines Kügelchen Uranium ausreichen,
um eine enorme Fusionsreaktion mit einer Sprengkraft von ungefähr 15
Tonnen TNT hervorzurufen. Läßt man über mehrere Tage lang diese
„Bomben“ jede Sekunde explodieren, kann man ein Raumschiff auf eine
akzeptable Geschwindigkeit beschleunigen. Das Problem wäre nur, daß
die entstehende Hitze den Antriebsteil des Schiffes zum Schmelzen
bringen würde. Zum Glück!
8.2. DIE ANTIMATERIEBOMBE
Bisher wurden alle möglichen wissenschaftlichen Entdeckungen für
militärische Zwecke nutzbar gemacht. Ob dies auch für Antimaterie
gelten wird, ist zwar noch nicht klar, aber immerhin beteiligt sich
auch die Amerikanische Luftwaffe aus mehr oder weniger bekannten
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Gründen finanziell an der Antimaterieforschung. Das Prinzip einer
Antimateriebombe ist leicht verständlich. In einem speziellen Behälter
aufbewahrte Antimaterie wird von Flugzeugen abgeworfen oder von
anderen Abschußvorrichtungen abgeschossen. Beim Aufprall zerplatzt der
Behälter und die freigesetzte Antimaterie annihiliert mit der
umliegenden Materie unter immenser Strahlungsabgabe. Diese Waffe wäre
sehr effektiv, aber nach heutigen Maßstäben viel zu teuer in der
Produktion.
9. SCHLUSSWORT
Die Antimaterie ist ein sehr interessantes Thema und außerdem
unglaublich umfangreich und weitreichend. Mit der Entdeckung der
Antimaterie sind für die Physiker sehr viele neue Fragen aufgeworfen
wurden, die geklärt werden wollen. Wir sind dennoch weit davon
entfernt, dies zu schaffen, aber immerhin auf dem richtigen Weg. Immer
mehr staatliche und private Institutionen, darunter auch namhafte
deutsche Einrichtungen, beschäftigen sich mit diesem Phänomen und auch
die NASA und ESA beteiligt sich an diesbezüglichen Forschungen, um
neue Antriebstechniken nutzbar machen zu können. Es wird also noch
viel geschehen in Zukunft, bleibt abzuwarten, welche Fragen geklärt
werden können und welche neuen Fragen entstehen werden.
Aber nicht nur Physiker sind von der Antimaterie fasziniert, auch die
ein oder anderen Lyriker zeigen sich interessiert. Deshalb zum Schluß
ein kleines Antimaterie Gedicht, wenn auch nur auf Englisch.
When Matter Touches Antimatter
Some talk about a world in the outer zone
Made up of antimatter -
The thought makes people scatter,
'Cause it could make our own world shatter
If, by some awful chance, part of it is hurled
Toward our planet. Look out, my friend:
When all creation holds its breath,
You have no world.
Ah, and you know by now: matters of the heart
Are pitter, pitter-patter
And just like antimatter
In how attractions start. Look at her
Now. You are like the earth; she is like the sun.
So you can get as close as you dare,
But then when matter touches antimatter
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Run.
Or else you wonder, "What do I care
That antimatter's touch is death
To everyone?"
- Rodney Rawlings
10. ANMERKUNGEN
1) Leptonen: Es sind bisher 5 Leptonen bekannt, dies sind die Elektronen und
dessen Gegensatzpaar Elektronen-Neutrino, die Myonen und dessen Gegensatzpaar
Myonen-Neutrino und das Tau, dessen Gegensatzpaar Tau-Neutrino noch nicht
bewiesen wurde aber aus Parallelitätsgründen zu den Quarks (6 Arten)
wahrscheinlich existiert.
2) Spin: Partikeleigendrehimpuls um die eigene Achse, jedoch nur in
begrenzten Werten, da die Partikeloberfläche sich sonst mit
Überlichtgeschwindigkeit bewegen müßte. Elektronen, Protonen und Neutronen
haben ein Spin von ½ h (Fermionen genannt, grob gesagt die Masseträger, h
immer ein Vielfaches von ½), Photonen und Gravitonen haben ein Spin von 1 h
(Bosonen genannt, die reinen Energieträger, h immer ein Vielfaches von 1).
Die Gruppierungen Baryonen (griech. = schwer) und Leptonen (griech. =
schlank) sind Untergruppen der Fermionen.
3) Hadronen: Oberbegriff für Protonen und Neutronen
4) Die seit 1998 aktiven Systeme des Fermilabs, die einen Recyclingring
enthalten, können pro Jahr bis zu 140 Nanogramm, also 10E+17 Antiprotonen
erzeugen
11. QUELLENVERZEICHNIS
• Bild 1 zur Cryogenischen Antiprotonenfalle
Lab for Elementary Particle Science (http://antimatter.phys.psu.edu)
• Bild 2 zur Cryogenischen Antiprotonenfalle
selbst erstellt nach Vorlage aus: Gabrielse Gerald für Spektrum der
Wissenschaft: Kühlen und Speichern von Antiprotonen im Buch
Elementare Materie, Vakuum und Felder; Spektrum der Wissenschaft
Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg 1994, S.102
• Bilder zum HEAT Experiment
HEAT Kollaboration (http://pooh.physics.lsa.umich.edu/www/heat/)
Die Bilder wurden teilweise farblich abgeändert
12. LITERATURVERZEICHNIS
Primärliteratur:
Seite 19

• keine
Sekundärliteratur:
• http://antimatter.phys.psu.edu, Lab for Elementary Particle Science
• Asimov, Isaac: Die exakten Geheimnisse unserer Welt. Droemersche
Verlagsanstalt Th. Knaur Nachf., München 1985
• Bredthauer, Wilhelm und andere: Atome Kerne Quanten. Ernst Klett
Verlag GmbH und Co. KG, Stuttgart 1987
• http://www.fnal.gov, Fermilab Homepage
• Gabrielse, Gerald für Spektrum der Wissenschaft: Elementare Materie,
Vakuum und Felder. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft
mbH, Heidelberg 1994
• Infopedia 2.0 Lexikon in der amerikanischen Originalausgabe als CD-
ROM-Version, diverse Verlage, Herausgeber der CD: Pearl Agency GmbH,
Buggingen 1997
• Krauss, Lawrence M.: Die Physik von Star Trek. Wilhelm Heyne Verlag
GmbH & Co. KG, München 1997
• Matthews, Robert: Und Gott hat doch gewürfelt. Droemer Knaur,
München 1994
• Ne’eman, Yuval und Kirsh, Yoram: Die Teilchenjäger. Übersetzte
Ausgabe, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 1995
• http://pooh.physics.lsa.umich.edu/www/heat/, HEAT Kollaboration
• Tarlé, Gregory und Swordy, Simon P. für Spektrum der Wissenschaft
Ausgabe 6/98: Kosmische Antimaterie. Spektrum der Wissenschaft
Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg 1998
13. SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG
Ich erkläre hiermit, daß ich die Jahresarbeit ohne fremde Hilfe
angefertigt und nur die im Verzeichnis aufgeführten Quellen und
Hilfsmittel benutzt habe.
Jena, den 01.10.08
Unterschrift
Seite 20