ASTRO - PHYSIK

Phantasie ist wichtiger als Wissen, denn Wissen ist begrenzt.

Albert Einstein

Geschichte der Teilchenphysik – Teil 2: Die Entdeckung der Anti-Materie

Entdeckung des Positrons Entdeckung des Positrons By Carl D. Anderson (1905–1991) - Anderson, Carl D. (1933).

Paul Dirac hatte eine verrückte Idee. Er wollte die Quantenmechanik nutzen, um extrem schelle Teilchen zu beschreiben. Was passiert mit den kleinsten Teilen, wenn sie sehr schnell sind? So schnell, dass nicht mehr die Regeln der Physik gelten, wie wir sie in unserem Alltag erleben und bereits von Newton beschrieben wurden, sondern die Regeln der speziellen Relativitätstheorie nach Einstein? Vor ihm war dies noch niemandem gelungen. Doch er vollbrachte diese Heldentat. Doch zu einem Preis: Seine Gleichungen beschrieben nicht nur das Leben der Teilchen, die wir kannten, sondern immer auch das Leben gleichartiger Teilchen mit negativer Energie. Doch was sollte das sein? Wie könnte man weniger als gar keine Energie haben? Zunächst betrachtete man dies als mathematisches Artefakt und nutzte jeweils nur die Hälfte der Lösungen, diejenigen für Teilchen positiver Energie. Die negativen Lösungen ignorierte man. Wir wollen später zu Dirac zurückkommen und uns nun zunächst ein paar anderen Herren widmen.

Wie im ersten Teil beginnen wir am Anfang des 20. Jahrhunderts. Man hatte ein neues elektrisches Gerät entwickelt, dass Elektroskop. Dieses konnte man aufladen und es behielt die Spannung, zumindest solange es nicht Radioaktivität ausgesetzt war. Dann nämlich verlor es seine Ladung. Man stellte fest, dass die ganze Erde radioaktiv ist, da ständig irgendwo irgendwelche Teilchen zerfallen. Dies ist nicht beunruhigend, sondern ein normaler Prozess, welcher wohl auch für die Vielfalt des Lebens auf diesem Planeten mitverantwortlich ist. Aber ich schweife ab. Man hatte nun also diese Elektroskope und dachte, je weiter oben man sei, also je weiter weg man sich von der Erde befindet, desto weniger Radioaktivität wäre zu messen. Man berechnete sogar, wie stark die Radioaktivität abfallen müsste. Der Jesuit T. Wulf packte nun sein Elektroskop und stieg die vielen Stufen des Eiffelturmes empor. So hoch oben, dachte er, dürfte sich sein Elektroskop nicht mehr entladen, da es weit weg von der Erdoberfläche sei. Doch er stellte immer noch eine deutliche Entladung fest. Viktor Hess trieb es sogar noch höher: In einem Fesselballon stieg er einige tausend Meter hoch. Und auch er stellte fest, dass sich sein Elektroskop weiter entlud, ab einer gewissen Höhe sogar wieder stärker als zuvor! Der Fall war klar: nicht nur die Erde ist radioaktiv, sondern auch der Himmel: Es muss auch im All Strahlung geben, die uns von dort erreicht: Kosmische Strahlung. Diese besser zu verstehen schickte sich Anderson an. Anderson nahm einen Apparat mit auf einen Berg, in dem geladene Teilchen Spuren hinterliessen. Eine sogenannte Blasenkammer. Anderson war clever. Er wollte mehr über die Teilchen wissen. Um zu erfahren wie sie geladen sind legte er ein magnetisches Feld an, welches positiv- und negativ-geladene Teilchen in unterschiedliche Richtungen ablenkt. Doch dies war ihm noch nicht genug. Er wollte auch wissen aus welcher Richtung sie kommen und wie schnell sie sind. Dazu legte er eine Bleiplatte in die Mitte. In dieser würden die Teilchen viel Energie verlieren. Die Spuren, die sie in seiner Blasenkammer hinterliessen, würden also vor und nach der Bleiplatte unterschiedlich aussehen. So konnte er vieles berechnen, insbesondere die Ladung und die Masse der Teilchen, die Spuren hinterliessen.


Einige Details für besonders Interessierte:

Magnetische Felder lenken geladene Teilchen ab. Die Krümmung ihrer Spur hängt, bei gegebener Feldstärke, von ihrer Geschwindigkeit ab. Dies zeigt sich durch die wirkende Lorentz-Kraft:

In der Bleiplatte verlieren die Teilchen Energie. Wie viel Energie sie dabei verlieren hängt unter anderem von ihrer Masse ab. Den Energieverlust pro zurückgelegter Strecke gibt die Bethe-Bloch Formel wieder:

Wobei <dE/dx> die erwartete Änderung der Energie pro Strecke bedeutet,
r_e der klassische Elektronenradius ist,
N_A die Avogadro-Konstante bezeichnet,
m_e die Masse des Elektrons,
c die Lichtgeschwindigkeit,
z die Ladung des Teilchens, dass das Material durchquert,
Z die Atomzahl,
A die mittlere atomare Masse,
beta der relativistische beta-Faktor v/c,
gamma der relativistische gamma-Faktor (1-beta^2)^(-1/2),
I das mittlere Anregungspotential des Materials (entspricht etwa Z * 10 eV),
T_max die maximale Impulsübertragung beim Zusammentoss
und delta ein Dichte-Korrekturfaktor für sehr hohe Energien beschreibt.


Anderson machte dabei eine spannende Entdeckung. Auf seiner Fotoplatte fand er folgende Spur:

Dank der 6mm Bleiplatte können wir erschliessen, dass das Teilchen von unten kam: der Strich ist dünn und wenig gekrümmt. Nach der Platte ist er dicker und stärker gekrümmt: das Teilchen ist nach der Platte langsamer unterwegs! Durch das angelegte Magnetfeld wissen wir nun, dass dieses Teilchen positiv geladen ist, da sich die Spur nach links krümmt. Ohne die Metallplatte wüssten wir nicht, ob das Teilchen von oben kam und negativ geladen war oder von unten und positiv geladen war. Wir wissen aber noch mehr: durch die Länge des Striches kann abgeschätzt werden, wie schwer das Teilchen war. Ein schweres Proton dürfte nur einen kurzen Strich hinterlassen. Hier ist aber ein langer Strich. Das bedeutet, dass es ein leichtes Teilchen sein muss. Und zwar ein Teilchen etwa so schwer wie ein Elektron. Anderson fand ein positives Teilchen, dass so schwer wie ein Elektron war; ein Positron – ein Anti-Elektron! Damit war das erste Anti-Teilchen gefunden und die Lösungen von Dirac, die bisher ignoriert wurden, waren nicht die Lösungen für Materie mit negativer Energie, sondern die Lösungen von Anti-Materie mit nun positiver Energie. Dies war der Startschuss für die Suche nach weiterer Anti-Materie.

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