Antimaterie: keine Hexerei (pdf, 4.2 MB) - Universität Bern
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<strong>Antimaterie</strong>:<br />
Keine <strong>Hexerei</strong><br />
PD Dr. Michele Weber<br />
Albert Einstein Center for Fundamental Research<br />
Laboratorium für Hochenergiephysik, Universität <strong>Bern</strong><br />
1 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
<strong>Antimaterie</strong><br />
Existiert <strong>Antimaterie</strong> ?<br />
Ist sie gefährlich ?<br />
Kann sie das Energieproblem lösen ?<br />
Kann man damit ein Weltraumschiff antreiben ?<br />
Was ist Materie<br />
Was ist t<strong>Antimaterie</strong><br />
t i<br />
Antworten<br />
2 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
<strong>Hexerei</strong><br />
Wissenschaft<br />
3<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Was is Materie ?<br />
Anaximenes<br />
(585-525525 v. Chr) Chr.)<br />
Thales von Milet<br />
(624-546 v. Chr.)<br />
Heraklid<br />
(540-475 v. Chr.)<br />
4 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Elemente / Atome<br />
Dmitri Mendeleev<br />
(1834-1907)<br />
Niels H.D. Bohr<br />
(1885 – 1962)<br />
Ernest Rutherford<br />
(1871 – 1937)<br />
5<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Streuexperimente<br />
6 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Streuexperimente<br />
7 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Streuexperimente<br />
8 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Streuexperimente<br />
9 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Rutherford´s Streuexperiment<br />
10 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
11<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Der Aufbau der Materie<br />
0,01 m<br />
Kristall<br />
1/10.000.000 1/10 1/10.000 1/10<br />
1/1.000<br />
10 -9 m<br />
Molekül<br />
10 -10 m<br />
Atom<br />
10 -14 m<br />
Atomkern<br />
10 -15 m<br />
Proton<br />
Pionen aus<br />
Beschleuniger am<br />
CERN treffen von Links<br />
in eine Blasenkammer.<br />
13<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Kosmische Strahlen<br />
SPERA<br />
t / Novapix /AS<br />
© L.Bret<br />
14 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Elementare Materie Bausteine<br />
(Teilchen)<br />
Quarks<br />
Leptonen<br />
up<br />
charm<br />
top electron muon<br />
tau<br />
down<br />
strange<br />
bottom<br />
electron<br />
neutrino<br />
muon<br />
neutrino<br />
tau neutrino<br />
Bestandteile der Atome<br />
15 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Die Physik des 20. Jahrhunderts<br />
“Moderne” Physik<br />
Mathematik als Werkzeug<br />
Neue fundamentale und grundlegende Konzepte,<br />
die unser Verständnis der Natur wesentlich erweitern<br />
Relativitätstheorie<br />
Quantenphysik<br />
Gesetze werden mehr und mehr als<br />
Wahrscheinlichkeitsgesetze formuliert.<br />
Überwindung des absoluten Determinismus.<br />
Beobachtung / Experiment ist ein wichtiger<br />
Bestandteil zur Überprüfung von Hypothesen<br />
16 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Erwin Schrödinger<br />
(1887 – 1961) Albert Einstein<br />
(1879 – 1955)<br />
2<br />
<br />
i<br />
x, t '' x, t V<br />
x,<br />
t<br />
2m<br />
<br />
Erwiesene Grundlagen<br />
Paul A. M. Dirac<br />
(1902 – 1984) Neue Theorie<br />
(Dirac 1928)<br />
electron<br />
positron<br />
Hmm…<br />
Ein Positron ?<br />
17<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Entdeckung des Positrons 1932<br />
Krümmung deutet auf ein<br />
positiv geladenes Teilchen<br />
Positron<br />
Carl Anderson<br />
(1905 – 1991)<br />
Nebelkammer<br />
18<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Teilchen<br />
Anti-Teilchen<br />
Zu jedem Teilchen gibt es ein Anti-Teilchen,<br />
mit engegengesetzter Ladung<br />
19<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
<strong>Antimaterie</strong> Produktion<br />
Paarerzeugung<br />
Kosmische Strahlung<br />
20<br />
Beschleuniger / Teilchen Kollisionen<br />
i<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
Radioaktiver Beta + Zerfall<br />
Na<br />
<br />
22 22<br />
<br />
Ne + e + <br />
e<br />
PD Dr. M. Weber
Vernichtung (Annihilation)<br />
21<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Radioaktiver Beta + Zerfall<br />
<br />
Na<br />
<br />
Ne + e + <br />
e<br />
22 22<br />
22<br />
Na Zwei Photonen<br />
entstehen, mit je 511 keV<br />
22<br />
Ne<br />
Instabiler<br />
Mutterkern<br />
Ein Proton wird in ein Neutron<br />
umgewandelt:<br />
Positron und Neutrino werden emittiert<br />
Das Positron<br />
annihiliert mit<br />
einem Elektron<br />
22 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Messung<br />
<br />
“Szintillator”<br />
Macht Teilchen Sichtbar<br />
“Photo Multiplier Tube”<br />
Extrem sensitiver Licht-Detektor<br />
1 Photon<br />
pro Sekunde<br />
300km<br />
23<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
PET<br />
(Positron Emissions-Tomograph)<br />
Ganzkörper PET Scan<br />
24<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Anti Materie<br />
25 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Materie und Anti-Materie<br />
Tom Hanks<br />
Anti Tom Hanks<br />
Die beiden würden<br />
genau gleich aussehen<br />
26 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
27<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Wieviel Energie ?<br />
+ =<br />
1 Gramm Materie<br />
1 Gramm Anti-Materie<br />
2<br />
E mc 2 0.002 kg · 310 8 m/s 2 1.<br />
8 10<br />
14 J<br />
28 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
3x die Energie der<br />
Hiroshima Explosion<br />
43‘000‘000 kg TNT<br />
PD Dr. M. Weber
Wenn…<br />
Wenn wir einen Weg<br />
finden könnten, ein halbes<br />
Gramm <strong>Antimaterie</strong> zu<br />
sammeln,<br />
Wenn wir sie in einen<br />
Behälter dafür hätten,<br />
Wenn wir sie unversehrt<br />
an einen entfernteren Ort<br />
bringen könnten,<br />
dann...<br />
wäre das tatsächlich eine<br />
zerstörerische Bombe...<br />
TM & © 2009 Columbia Pictures Industries, Inc. All Rights Reserved.<br />
29<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Avogadro<br />
Von der Teilchenwelt…<br />
x 602’214’179’000’000’000’000’000<br />
= 6x10 23<br />
(1776—1856) 1856)<br />
…in die makroskopische Welt<br />
30<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Anti-Protonen<br />
Wir kreieren extrem wenig Anti-Materie<br />
Fermi National Accelerator Laboratory, USA<br />
Am CERN und Fermilab (USA) werden etwa 10 15<br />
Anti-Protonen pro Jahr erzeugt (2.3 Nanogramm)<br />
Es würde 200 Millionen Jahre dauern<br />
um 1 Gramm Antiprotonen zu erzeugen<br />
31 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Anti-Wasserstoff am CERN<br />
-<br />
+<br />
Positron<br />
Anti-Proton<br />
Erste wenige Antiwasserstoff Atome<br />
wurden 1996 produziert<br />
2002 etwa 200’000<br />
Antihelium Kerne wurden auch am CERN produziert<br />
(M.Weber et al. 2003)<br />
32<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Energiegewinnung<br />
Jedes einzelne Anti-Teilchen muss erst erzeugt werden<br />
Es muss ein Milliarde mal soviel Energie in die<br />
Produktion und Aufbewahrung gesteckt werden, als<br />
jemals wieder herauskommen kann…<br />
Es braucht eine<br />
riesige Anlage un ein<br />
paar wenige Anti-Atome<br />
Atome<br />
zu speichern<br />
Kein Kraftwerk<br />
Kein Raketenantrieb<br />
33 Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
34<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Urknall<br />
Unmittelbar nach dem Urknall (Big Bang) waren<br />
Materie und <strong>Antimaterie</strong> eben nicht genau gleich<br />
10,000,000,001 10,000,000,000<br />
Hier!<br />
Materie<br />
<strong>Antimaterie</strong><br />
Dann kam die große Annihilation!<br />
35<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Nach der grossen Annihilation<br />
wir<br />
Warum ? Wie ?<br />
Vielleicht hilft uns<br />
dabei der LHC !<br />
1<br />
Materie<br />
<strong>Antimaterie</strong><br />
Alle <strong>Antimaterie</strong> und alle Materie sind verschwunden,<br />
bis auf einen kleinen Teil … und das sind wir!<br />
36<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Zusammenfassung<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Beobachtung / Experiment als wichtiger Bestandteil zur<br />
Überprüfung von Hypothesen<br />
Wir haben ein Modell der Bausteine und Kräfte im Universum<br />
Zu jedem Teilchen<br />
gibt es ein Anti-Teilchen,<br />
mit engegengesetzter<br />
Ladung: <strong>keine</strong> <strong>Hexerei</strong> !<br />
Antimatrie wird in PET<br />
scanner benutzt<br />
Keine Bombe…<br />
Keine Rakete…<br />
Materie im Universum existiert durch Asymmetrie<br />
(CERN, LHC)<br />
37<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
Jedes Jahr kommen etwa 4000 Schuelerinnen und<br />
Schueler in rund d20L Laendern an eine von 70<br />
Universitaeten und Forschungszentren, um die Welt der<br />
Elementarteilchen zu erforschen.<br />
Das Thema: "Entdecke die Welt der Quarks und<br />
Leptonen in echten Daten„<br />
Mittwoch, 17.2.2010 in <strong>Bern</strong><br />
Anmeldung bis 17.1.2010 bei<br />
weber@lhep.unibe.ch<br />
Masterclas<br />
sses 200 9<br />
38<br />
Physik am Samstag 16.1.2010<br />
PD Dr. M. Weber
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