die wahre geschichte der antimaterie · antimaterie kann kein perfektes spiegelbild der materie...
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Die wahre Geschichte der Antimaterie
Die wahre Geschichte derAntimaterie
Philip Bechtle
8. Juli 2009
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 1
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Handlung des Films
Antimaterie wird vom LargeHadron Collider (LHC) amCERN gestohlen und im Vatikanversteckt
Der Countdown zur Zerstorungdes Vatikans lauft und einWettlauf mit der Zeit querdurch Rom beginnt.
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 2
Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN – Hollywood-Version
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 3
Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN – Wie es wirklich ist
In der Nahe von Genf, auf der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich
Und man kann es besuchen – nichts ist “top secret”, alle Resultate sindoffentlich und frei zuganglich
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 4
Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN – Schone Lage . . .
Und mit gewaltigen und hoch komplexen wissenschaftlichen Experimnten:
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 5
Die wahre Geschichte der AntimaterieCERN
EuropaischesForschungszentrum furTeilchenphysik
Gegrundet 1954
20 Mitgliedsstaaten
2500 Angestellte
8000 Wissenschaftler vonanderen Institutionen
85 Nationalitaten
Etwa 1000 deutscheWissenschaftler
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 6
Die wahre Geschichte der AntimaterieDer Large Hadron Collider – Hollywood-Version
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 7
Die wahre Geschichte der AntimaterieDer Large Hadron Collider – echter Kontrollraum
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 8
Die wahre Geschichte der AntimaterieEs gibt sogar Iris-Scanner . . .
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 9
Die wahre Geschichte der AntimaterieDer echte Large Hadron Collider (LHC)
Der leistungsstarkste Teilchenbeschleuniger der Welt27km lang, 100m unter der Erde
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 10
Die wahre Geschichte der AntimaterieDer echte Large Hadron Collider (LHC)
Der LHC bringt Teilchen zurKollision . . .
. . . um einige der großtenRatsel des Universums zu losen
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 11
Die wahre Geschichte der AntimaterieDas echte ATLAS-Experiment
Die schnellste und großte Digitalkamera der Welt:
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 12
Die wahre Geschichte der AntimaterieDas echte ATLAS-Experiment
Die schnellste und großte Digitalkamera der Welt:
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 12
Die wahre Geschichte der AntimaterieDas echte ATLAS-Experiment
Die schnellste und großte Digitalkamera der Welt:
40 Millionen Bilder pro Sekunde,entspricht der Datenmenge von 250 000 DVDs pro Sekunde
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 12
Die wahre Geschichte der AntimaterieZiele der Experimente am LHC
Was sind die fundamentalstenBausteine der Materie?
Wie wechselwirken diese Bausteinemiteinander?
Woher stammt die Masse der Teilchen?
Was ist die Struktur von Raum undZeit?
Was ist dunkle Materie?
Wie verhalt sich Antimaterie imVergleich zur Materie?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 13
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie
Es gibt sie wirklich!
Sie wird am Large Hadron Colliderproduziert
Eine sehr große Menge an Antimateriekonnte sogar ganz Rom zerstoren . . .
Was genau ist Antimaterie und wassind ihre Eigenschaften?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 14
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie
Es gibt sie wirklich!
Sie wird am Large Hadron Colliderproduziert
Eine sehr große Menge an Antimateriekonnte sogar ganz Rom zerstoren . . .
Was genau ist Antimaterie und wassind ihre Eigenschaften? ?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 14
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und ihre Bausteine
Von hier . . .
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 15
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und ihre Bausteine
. . . nach da:
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 15
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und ihre Bausteine
Wir kennen 12 fundamentale Teilchen
Quarks Leptonen
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 16
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und ihre Bausteine
Wir kennen 4 verschiedene Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen,z.B. die elektromagnetische Wechselwirkung
Austausch von Photonen (γ)
Rau
m �γ
e−
e−
e−
e−
Zeit
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 17
Die wahre Geschichte der AntimaterieWoraus besteht das sichtbare Universum?
Alles Material, das uns im Alltag umgibt, aus dem die Erde und diePlaneten, die Sonne, alle anderen Sterne und alle Galaxien aufgebaut sind,besteht nur aus Materie, und zwar ausschließlich aus diesen Bausteinen:
Protonen:
Elektronen
Neutronen
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 18
Die wahre Geschichte der AntimaterieWoraus besteht das sichtbare Universum?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 19
Die wahre Geschichte der AntimaterieWoraus besteht das sichtbare Universum?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 19
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und Antimaterie
Zu jeder Sorte Teilchen gibt es eine Sorte Antiteilchen
Teilchen Antiteilchen
Warum das?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 20
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Geschichte der Antimaterie
Als theoretisches Konstrukt postuliert vonP.A.M. Dirac im Jahr 1928
Entdeckt 1933 von Carl Anderson undSeth Neddermeyer, erzeugt von kosmischerStrahlung
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 21
Die wahre Geschichte der AntimaterieRaum und Zeit
Fur uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt:
Wir konnen uns vorwarts und ruckwarts im Raum bewegen
RaumAber wir konnen uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen:
Zeit
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 22
Die wahre Geschichte der AntimaterieRaum und Zeit
Fur uns und alle anderen Geschehnisse um uns herum gilt:
Wir konnen uns vorwarts und ruckwarts im Raum bewegen
RaumAber wir konnen uns nur in einer Richtung in der Zeit bewegen:
ZeitDas kann ganz schon nervig sein . . .
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 22
Die wahre Geschichte der AntimaterieRaum und Zeit
. . . weil man in der Zeit mal eben nicht zuruck gehen kann, um etwas zureparieren . . .
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 23
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie und Zeit
Dirac fand heraus, daß sich das Verhalten der Elementarteilchen sehr gutbeschreiben laßt, wenn man annimmt, daß es zwei verschiedene
Verhaltensweisen der Teilchen in der Zeit gibt:
Materie:
ZeitAntimaterie:
Zeit
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 24
Die wahre Geschichte der AntimaterieSo ein Verhalten ist attraktiv, weil . . .
Diese Sicht der Natur ist hoch symmetrisch, und PhysikerInnen mogenSymmetrie!
Elektron wechselwirktmit Photon:�γ
e−
e−
Photon erzeugt Materieund Antimaterie:
�γ∗
e−
e−
Materie undAntimaterie
verschwindet:
� γ∗
e−
e−
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 25
Die wahre Geschichte der AntimaterieRuckwarts in der Zeit oder nur ein anderes
Ladungsvorzeichen?Andererseits ist ein sich ruckwarts in der Zeit bewegendes negativ geladenesTeilchen nichts anderes als ein sich vorwarts in der Zeit bewegendes positiv
geladenes Teilchen:
Elektron ruckwarts in der Zeit:� e−
e−
Positron vorwarts in der Zeit:� e+
e+
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 26
Die wahre Geschichte der AntimaterieRuckwarts in der Zeit oder nur ein anderes
Ladungsvorzeichen?Andererseits ist ein sich ruckwarts in der Zeit bewegendes negativ geladenesTeilchen nichts anderes als ein sich vorwarts in der Zeit bewegendes positiv
geladenes Teilchen:
Elektron ruckwarts in der Zeit:� e−
e−
Positron vorwarts in der Zeit:� e+
e+
Also ist ein Positron, das Antiteilchen des Elektrons, nichts anderes als einElektron mit positiver Ladung
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 26
Die wahre Geschichte der AntimaterieAber . . .
Was ist eigentlich vorwarts und was ist ruckwarts?Oder was ist positiv und was negativ?Oder was ist links und was ist rechts?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 27
Die wahre Geschichte der AntimaterieAber . . .
Was ist eigentlich vorwarts und was ist ruckwarts?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 27
Die wahre Geschichte der AntimaterieKonnen wir Antimaterie herstellen?
Wir tun dies routinemaßig im Labor:
γ∗
e−
e+
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 28
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie in der Natur
Auch in der Natur wird standig Antimaterie erzeugt:
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 29
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und Antimaterie
Anti Tom Hanks wurde ziemlichgenauso aussehen
wie . . .
Tom Hanks
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 30
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und Antimaterie
Doch wenn sie aufeinandertreffen . . .
γ∗
e−
e+
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 31
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie und Antimaterie
Doch wenn sie aufeinandertreffen . . .
� γ∗
e−
e+
E = mc2
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 31
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie in Illuminati
Rom wird von einem Viertelgramm Antimaterie bedroht
Die Reaktion zwischen einem Viertelgramm Materie und einemViertelgramm Antimaterie entspricht 10 Kilotonnen TNT
Zum Vergleich: Die Hiroshima-Bombe hatte eine thermische Energievon etwa 15 Kilotonnen TNT-Aquvalent
Mehr als genug, um den Vatikan und ganz Rom zu zerstoren . . .
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 32
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie im Labor ist sicher
Wir stellen nur sehr wenig Antimaterie her
Wahrend eines Jahres produzieren wir etwa 0.000 000 001 g Antimaterie
Wir wurden 250 Millionen Jahre brauchen, um ein viertel GrammAntimaterie herzustellen
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 33
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie im Labor ist sicher
Man kann Antimaterie nicht so einfach transportieren oder speichern
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 34
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie 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
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 35
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie kann aber auch sehr nutzlich sein!
Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffenin einer Explosion vernichten.
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 36
Die wahre Geschichte der AntimaterieAntimaterie kann aber auch sehr nutzlich sein!
Wir haben gesehen, daß sich Materie und Antimaterie bei Zusammentreffenin einer Explosion vernichten.
Was wurden Sie sagen, wenn Ihnen jemand vorschlagen wurde, gezielt undabsichtlich Antimaterie in Ihren Korper (der ja wie alles um uns herum aus
Materie besteht) zu tun?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 36
Die wahre Geschichte der AntimateriePositron-Emissions-Tomographie
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 37
Die wahre Geschichte der AntimaterieWir verwenden Antimaterie . . .
. . . Um einige der großten Ratsel des Universums zu losen:
Was verursacht die Masse der Elementarteilchen?
Woraus besteht das Universum hauptsachlich?
Was ist die Struktur von Raum und Zeit?
Warum gibt es uberhaupt so viel Materie und so wenig Antimaterie imUniversum?
. . .
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 38
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Suche nach Antworten . . .
. . . erfolgt in Teilchenphysik-Laboren auf der ganzen Welt:
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 39
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Suche nach Antworten . . .
. . . und in enger Kooperation mit diesen Forschungszentren anUniversitaten in ganz Deutschland
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 40
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Untersuchung der Antimaterie
Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direktenVergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 41
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Untersuchung der Antimaterie
Wir untersuchen das Verhalten von Antimaterie und Materie im direktenVergleich z.B. am Stanford Linear Accelerator Center
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 42
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Untersuchung der Antimaterie
Was wird in diesen Experimenten gemessen?
Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 43
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Untersuchung der Antimaterie
Was wird in diesen Experimenten gemessen?
Wir erzeugen ein Paar von Teilchen und Antiteilchen
Was ware, wenn beide Pendel immer gleichmaßig schwingen wurden?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 43
Die wahre Geschichte der AntimaterieMaterie im (Zerr-)Spiegel
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 44
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Entwicklung des Universums
Antimaterie kann kein perfektesSpiegelbild der Materie sein
Sonst gabe es uns nicht, denndann hatte sich die Materie unddie Antimaterie fast vollstandiggegenseitig vernichtet: KeineGalaxien, Sonnen, Planeten, etc.
Wir messen einen winzigenUnterschied zwischen Materieund Antimaterie, der zu klein istfur die Erklarung unsererExistenz
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 45
Die wahre Geschichte der AntimaterieDie Entwicklung des Universums
Antimaterie kann kein perfektesSpiegelbild der Materie sein
Sonst gabe es uns nicht, denndann hatte sich die Materie unddie Antimaterie fast vollstandiggegenseitig vernichtet: KeineGalaxien, Sonnen, Planeten, etc.
Wir messen einen winzigenUnterschied zwischen Materieund Antimaterie, der zu klein istfur die Erklarung unsererExistenz
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 45
Die wahre Geschichte der AntimaterieAufklarung am LHC?
Wir wissen nicht, ob die nachste Generation unser Experimente am LHCuns eine Antwort liefert
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 46
Die wahre Geschichte der AntimaterieAufklarung am LHC?
Wir wissen nicht, ob die nachste Generation unser Experimente am LHCuns eine Antwort liefert
denn wenn wir die Antwort schon wußten, dann mußten wir dieExperimente nicht machen.
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 46
Die wahre Geschichte der AntimaterieEine Frage zum Schluß
Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verlauft?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 47
Die wahre Geschichte der AntimaterieEine Frage zum Schluß
Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verlauft?
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 47
Die wahre Geschichte der AntimaterieEine Frage zum Schluß
Woher wissen wir eigentlich im Alltag, in welche Richtung die Zeit verlauft?
Nur die Zunahme des Chaos bestimmt unser Zeitempfinden . . .
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 47
Die wahre Geschichte der AntimaterieIhre personliche Sicht der Geschichte des
Universums
Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere Korperbestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt
Kaum ein Atom in uns ist junger als 4.5 Milliarden Jahre
Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburtbeteiligt
Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der erstenSterne
Jeder von uns war einmal uber eine Million Lichtjahre verteilt
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 48
Die wahre Geschichte der AntimaterieIhre personliche Sicht der Geschichte des
Universums
Die Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unsere Korperbestehen, sind 13.7 Milliarden Jahre alt
Kaum ein Atom in uns ist junger als 4.5 Milliarden Jahre
Zwischen 10 000 und 10 Millionen Sterne waren an unserer Geburtbeteiligt
Etwa ein Finger von jedem von uns war einmal in einem der erstenSterne
Jeder von uns war einmal uber eine Million Lichtjahre verteilt
Obwohl wir schon so lange da sind und so unbeschreiblich viel gelernthaben:
Warum es uns (und die ganze Materie um uns herum) uberhaupt nochgibt beginnen wir gerade erst zu verstehen
Offentlicher Abendvortrag 08.07.2009 48