Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die wahre Geschichte der Antimaterie Philip Bechtle

8. Juli 2009

¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Handlung des Films

Antimaterie wird vom Large Hadron Collider (LHC) am CERN gestohlen und im Vatikan versteckt Der Countdown zur Zerst¨ orung des Vatikans l¨auft und ein Wettlauf mit der Zeit quer durch Rom beginnt.

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

CERN – Hollywood-Version

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

CERN – Wie es wirklich ist

In der N¨ahe von Genf, auf der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich

Und man kann es besuchen – nichts ist “top secret”, alle Resultate sind ¨offentlich und frei zug¨anglich ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

CERN – Sch¨ one Lage . . .

Und mit gewaltigen und hoch komplexen wissenschaftlichen Experimnten:

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

CERN

Europ¨aisches Forschungszentrum f¨ ur Teilchenphysik Gegr¨ undet 1954 20 Mitgliedsstaaten 2500 Angestellte 8000 Wissenschaftler von anderen Institutionen 85 Nationalit¨aten Etwa 1000 deutsche Wissenschaftler

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Der Large Hadron Collider – Hollywood-Version

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Der Large Hadron Collider – echter Kontrollraum

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Es gibt sogar Iris-Scanner . . .

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Der echte Large Hadron Collider (LHC) Der leistungsst¨arkste Teilchenbeschleuniger der Welt 27km lang, 100m unter der Erde

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Der echte Large Hadron Collider (LHC)

Der LHC bringt Teilchen zur Kollision . . .

. . . um einige der gr¨oßten R¨atsel des Universums zu l¨osen

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Das echte ATLAS-Experiment

Die schnellste und gr¨ oßte Digitalkamera der Welt:

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Das echte ATLAS-Experiment

Die schnellste und gr¨ oßte Digitalkamera der Welt:

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Das echte ATLAS-Experiment

Die schnellste und gr¨ oßte Digitalkamera der Welt:

40 Millionen Bilder pro Sekunde, entspricht der Datenmenge von 250 000 DVDs pro Sekunde ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Ziele der Experimente am LHC

Was sind die fundamentalsten Bausteine der Materie? Wie wechselwirken diese Bausteine miteinander? Woher stammt die Masse der Teilchen? Was ist die Struktur von Raum und Zeit? Was ist dunkle Materie? Wie verh¨alt sich Antimaterie im Vergleich zur Materie? ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Antimaterie

Es gibt sie wirklich! Sie wird am Large Hadron Collider produziert Eine sehr große Menge an Antimaterie k¨onnte sogar ganz Rom zerst¨ oren . . . Was genau ist Antimaterie und was sind ihre Eigenschaften?

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Antimaterie

Es gibt sie wirklich! Sie wird am Large Hadron Collider produziert Eine sehr große Menge an Antimaterie k¨onnte sogar ganz Rom zerst¨ oren . . . Was genau ist Antimaterie und was sind ihre Eigenschaften?

?

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Materie und ihre Bausteine

Von hier . . .

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Materie und ihre Bausteine

. . . nach da:

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Materie und ihre Bausteine

Wir kennen 12 fundamentale Teilchen Quarks

Leptonen

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Materie und ihre Bausteine

Wir kennen 4 verschiedene Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen, z.B. die elektromagnetische Wechselwirkung

¡

Austausch von Photonen (γ) e−

e−

Raum

γ

e−

e−

Zeit

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Woraus besteht das sichtbare Universum?

Alles Material, das uns im Alltag umgibt, aus dem die Erde und die Planeten, die Sonne, alle anderen Sterne und alle Galaxien aufgebaut sind, besteht nur aus Materie, und zwar ausschließlich aus diesen Bausteinen: Neutronen

Protonen: Elektronen

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Woraus besteht das sichtbare Universum?

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Woraus besteht das sichtbare Universum?

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Materie und Antimaterie

Zu jeder Sorte Teilchen gibt es eine Sorte Antiteilchen Teilchen

Antiteilchen

Warum das? ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Geschichte der Antimaterie

Als theoretisches Konstrukt postuliert von P.A.M. Dirac im Jahr 1928 Entdeckt 1933 von Carl Anderson und Seth Neddermeyer, erzeugt von kosmischer Strahlung

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Raum und Zeit

F¨ ur uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt: Wir k¨onnen uns vorw¨arts und r¨ uckw¨arts im Raum bewegen

Raum Aber wir k¨onnen uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen:

Zeit ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Raum und Zeit

F¨ ur uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt: Wir k¨onnen uns vorw¨arts und r¨ uckw¨arts im Raum bewegen

Raum Aber wir k¨onnen uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen:

Zeit Das kann ganz sch¨ on nervig sein . . . ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Raum und Zeit

. . . weil man in der Zeit mal eben nicht zur¨ uck gehen kann, um etwas zu reparieren . . . ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Antimaterie und Zeit

Dirac fand heraus, daß sich das Verhalten der Elementarteilchen sehr gut beschreiben l¨aßt, wenn man annimmt, daß es zwei verschiedene Verhaltensweisen der Teilchen in der Zeit gibt: Materie:

Zeit Antimaterie:

Zeit ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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So ein Verhalten ist attraktiv, weil . . .

¢ £ ¤

Diese Sicht der Natur ist hoch symmetrisch, und PhysikerInnen m¨ogen Symmetrie! Elektron wechselwirkt mit Photon:

Materie und Antimaterie verschwindet:

Photon erzeugt Materie und Antimaterie: e−

e−

γ

γ∗

e−

γ∗

e−

e−

e−

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

R¨ uckw¨ arts in der Zeit oder nur ein anderes Ladungsvorzeichen?

¥ ¦

Andererseits ist ein sich r¨ uckw¨arts in der Zeit bewegendes negativ geladenes Teilchen nichts anderes als ein sich vorw¨arts in der Zeit bewegendes positiv geladenes Teilchen: Elektron r¨ uckw¨arts in der Zeit: e−

e−

Positron vorw¨arts in der Zeit: e+

e+

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

R¨ uckw¨ arts in der Zeit oder nur ein anderes Ladungsvorzeichen?

§ ¨

Andererseits ist ein sich r¨ uckw¨arts in der Zeit bewegendes negativ geladenes Teilchen nichts anderes als ein sich vorw¨arts in der Zeit bewegendes positiv geladenes Teilchen: Elektron r¨ uckw¨arts in der Zeit: e−

e−

Positron vorw¨arts in der Zeit: e+

e+

Also ist ein Positron, das Antiteilchen des Elektrons, nichts anderes als ein Elektron mit positiver Ladung ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Aber . . .

Was ist eigentlich vorw¨arts und was ist r¨ uckw¨arts? Oder was ist positiv und was negativ? Oder was ist links und was ist rechts?

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Aber . . .

Was ist eigentlich vorw¨arts und was ist r¨ uckw¨arts? Oder was ist positiv und was negativ? Oder was ist links und was ist rechts?

Antimaterie als perfektes Spiegelbild der Materie? ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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K¨ onnen wir Antimaterie herstellen? Wir tun dies routinem¨aßig im Labor:

γ∗

©

e+

e−

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Antimaterie in der Natur

Auch in der Natur wird st¨andig Antimaterie erzeugt:

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Materie und Antimaterie

Anti Tom Hanks

w¨ urde ziemlich genauso aussehen wie . . .

Tom Hanks

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Materie und Antimaterie

ª

Doch wenn sie aufeinandertreffen . . .

e+

e−

γ∗

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Materie und Antimaterie

«

Doch wenn sie aufeinandertreffen . . .

e+

e−

γ∗

E = mc 2 ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Antimaterie in Illuminati

Rom wird von einem Viertelgramm Antimaterie bedroht Die Reaktion zwischen einem Viertelgramm Materie und einem Viertelgramm Antimaterie entspricht 10 Kilotonnen TNT Zum Vergleich: Die Hiroshima-Bombe hatte eine thermische Energie ¨ von etwa 15 Kilotonnen TNT-Aquvalent Mehr als genug, um den Vatikan und ganz Rom zu zerst¨oren . . .

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Antimaterie im Labor ist sicher

Wir stellen nur sehr wenig Antimaterie her W¨ahrend eines Jahres produzieren wir etwa 0.000 000 001 g Antimaterie Wir w¨ urden 250 Millionen Jahre brauchen, um ein viertel Gramm Antimaterie herzustellen

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Antimaterie im Labor ist sicher

Man kann Antimaterie nicht so einfach transportieren oder speichern

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Antimaterie ist ziemlich nutzlos als . . .

. . . Energiequelle, denn: Jedes Antiteilchen muß einzeln hergestellt werden Das verbraucht mehr Energie, als nachher herauskommt Sie kann nur schwer gespeichert werden Sie kann quasi nicht transportiert werden

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Antimaterie kann aber auch sehr n¨ utzlich sein!

Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffen in einer Explosion vernichten.

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Antimaterie kann aber auch sehr n¨ utzlich sein!

Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffen in einer Explosion vernichten. Was w¨ urden Sie sagen, wenn Ihnen jemand vorschlagen w¨ urde, gezielt und absichtlich Antimaterie in Ihren K¨ orper (der ja wie alles um uns herum aus Materie besteht) zu tun?

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Positron-Emissions-Tomographie

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Wir verwenden Antimaterie . . .

. . . Um einige der gr¨oßten R¨atsel des Universums zu l¨ osen: Was verursacht die Masse der Elementarteilchen? Woraus besteht das Universum haupts¨achlich? Was ist die Struktur von Raum und Zeit? Warum gibt es u ¨berhaupt so viel Materie und so wenig Antimaterie im Universum? ...

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Suche nach Antworten . . .

. . . erfolgt in Teilchenphysik-Laboren auf der ganzen Welt:

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Suche nach Antworten . . .

. . . und in enger Kooperation mit diesen Forschungszentren an Universit¨aten in ganz Deutschland

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Die Untersuchung der Antimaterie

Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direkten Vergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center

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Die Untersuchung der Antimaterie

Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direkten Vergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Untersuchung der Antimaterie Was wird in diesen Experimenten gemessen?

Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Untersuchung der Antimaterie Was wird in diesen Experimenten gemessen?

Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen

Was w¨are, wenn beide Pendel immer gleichm¨aßig schwingen w¨ urden? ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Materie im (Zerr-)Spiegel

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Entwicklung des Universums

Antimaterie kann kein perfektes Spiegelbild der Materie sein Sonst g¨abe es uns nicht, denn dann h¨atte sich die Materie und die Antimaterie fast vollst¨andig gegenseitig vernichtet: Keine Galaxien, Sonnen, Planeten, etc. Wir messen einen winzigen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, der zu klein ist f¨ ur die Erkl¨arung unserer Existenz

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Die Entwicklung des Universums

Antimaterie kann kein perfektes Spiegelbild der Materie sein Sonst g¨abe es uns nicht, denn dann h¨atte sich die Materie und die Antimaterie fast vollst¨andig gegenseitig vernichtet: Keine Galaxien, Sonnen, Planeten, etc. Wir messen einen winzigen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, der zu klein ist f¨ ur die Erkl¨arung unserer Existenz

¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Aufkl¨ arung am LHC?

Wir wissen nicht, ob die n¨achste Generation unser Experimente am LHC uns eine Antwort liefert

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Aufkl¨ arung am LHC?

Wir wissen nicht, ob die n¨achste Generation unser Experimente am LHC uns eine Antwort liefert

denn wenn wir die Antwort schon w¨ ußten, dann m¨ ußten wir die Experimente nicht machen. ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Eine Frage zum Schluß

Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verl¨auft?

¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Eine Frage zum Schluß

Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verl¨auft?

¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Eine Frage zum Schluß

Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verl¨auft?

Nur die Zunahme des Chaos bestimmt unser Zeitempfinden . . . ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Ihre pers¨ onliche Sicht der Geschichte des Universums

Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere K¨orper bestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt Kaum ein Atom in uns ist j¨ unger als 4.5 Milliarden Jahre Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburt beteiligt Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der ersten Sterne Jeder von uns war einmal ¨ uber eine Million Lichtjahre verteilt

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Die wahre Geschichte der Antimaterie

Ihre pers¨ onliche Sicht der Geschichte des Universums

Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere K¨orper bestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt Kaum ein Atom in uns ist j¨ unger als 4.5 Milliarden Jahre Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburt beteiligt Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der ersten Sterne Jeder von uns war einmal u ¨ber eine Million Lichtjahre verteilt Obwohl wir schon so lange da sind und so unbeschreiblich viel gelernt haben: Warum es uns (und die ganze Materie um uns herum) u ¨berhaupt noch gibt beginnen wir gerade erst zu verstehen ¨ Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009

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