Antiproton

Antimatter

Overview

Annihilation

Devices

• Particle accelerator
• Penningfalle

Antiteilchen

• Positron
• Antiproton
• Antineutron

Verwendungen

• Positronenemission Tomographie
• Brennstoff
• Waffentechnik

Wissenschaftliche Einrichtungen

• ALPHA Kollaboration
• ATHENA
• ATRAP
• CERN

Personen

• Paul Dirac
• Carl Anderson
• Andrei Sacharow

edit

Ein Antiproton (Symbol p, sprich: p-bar) ist das Antiteilchen des Protons. Ein Antiproton ist relativ stabil, aber in der Regel kurzlebig, da bei einem Zusammenstoß mit einem Proton beide Teilchen durch einen Energiestoß vernichtet werden. Es wurde 1955 von den Physikern Emilio Segrè und Owen Chamberlain von der University of California in Berkeley entdeckt, die dafür 1959 den Nobelpreis für Physik erhielten. Am CERN in Genf, Schweiz, und am Fermilab in Batavia, Illinois, werden Antiprotonen routinemäßig hergestellt und für wissenschaftliche Forschungszwecke verwendet.

AntiProton

Die Quarkstruktur des Protons.

Klassifizierung:

Baryon

Eigenschaften

Theoretisch besteht ein Antiproton aus zwei Anti-up-Quarks und einem Anti-down-Quark, symbolisiert als uud.

Die Eigenschaften des Antiprotons werden durch die CPT-Symmetrie als exakt verwandt mit denen des Protons vorhergesagt. Insbesondere sagt die CPT-Symmetrie voraus, dass die Masse und die Lebensdauer des Antiprotons die gleichen sind wie die des Protons und dass die elektrische Ladung und das magnetische Moment des Antiprotons das entgegengesetzte Vorzeichen haben und gleich groß sind wie die des Protons.

Mitte Juni 2006 gelang es Wissenschaftlern des CERN (Europäische Organisation für Kernforschung), die Masse des Antiprotons zu bestimmen, die 1.836,153674(5) mal so groß ist wie die eines Elektrons. Dies entspricht genau der Masse eines „normalen“ Protons, wie vorhergesagt. Die Bildung von Antimaterie steht im Zusammenhang mit der Frage, was zur Zeit des Urknalls geschah und warum heute noch eine so geringe Menge an Antimaterie in unserem Sonnensystem vorhanden ist.

Künstliche Erzeugung

Die Bildung von Antiprotonen erfordert eine Energie, die einer Temperatur von zehn Billionen K (1013 K) entspricht, die unter den meisten natürlichen Bedingungen nicht erreicht wird. Am CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) werden Protonen im Protonen-Synchrotron (PS) auf eine Energie von 26 GeV beschleunigt und dann auf einen Iridiumstab geschossen. Die Protonen prallen an den Iridiumkernen mit so viel Energie ab, dass Materie entstehen kann. Es entsteht eine Reihe von Teilchen und Antiteilchen, und die Antiprotonen werden mit Hilfe von Magneten im Vakuum abgetrennt.

Vorkommen in der Natur

Antiprotonen werden seit mehr als 25 Jahren in der kosmischen Strahlung nachgewiesen, zunächst durch ballongestützte Experimente und in jüngerer Zeit durch satellitengestützte Detektoren. Das Standardbild für ihr Vorhandensein in der kosmischen Strahlung ist, dass sie bei Kollisionen von Protonen der kosmischen Strahlung mit Kernen im interstellaren Medium durch die folgende Reaktion entstehen:

p A → p p p A

Die sekundären Antiprotonen (p) breiten sich dann durch die Galaxie aus, wobei sie von den galaktischen Magnetfeldern eingeschlossen werden. Ihr Energiespektrum wird durch Kollisionen mit anderen Atomen im interstellaren Medium verändert, und Antiprotonen können auch durch „Entweichen“ aus der Galaxie verloren gehen.

Das Energiespektrum der kosmischen Antiprotonenstrahlung wird jetzt zuverlässig gemessen und stimmt mit diesem Standardbild der Antiprotonenproduktion durch Kollisionen mit kosmischer Strahlung überein. Dies setzt eine Obergrenze für die Anzahl der Antiprotonen, die auf exotische Weise erzeugt werden könnten, z. B. durch die Annihilation supersymmetrischer dunkler Materieteilchen in der Galaxie oder durch die Verdampfung primordialer schwarzer Löcher. Damit ergibt sich auch eine untere Grenze für die Lebensdauer von Antiprotonen von etwa einer bis zehn Millionen Jahren. Da die galaktische Speicherzeit von Antiprotonen etwa zehn Millionen Jahre beträgt, würde eine intrinsische Zerfallszeit die galaktische Aufenthaltszeit verändern und das Spektrum der Antiprotonen der kosmischen Strahlung verzerren. Dies ist deutlich strenger als die besten Labormessungen der Antiprotonenlebensdauer:

• LEAR-Kollaboration am CERN: 0,8 Jahre
• Antiwasserstoff-Penning-Falle von Gabrielse et al: 0,28 Jahre
• APEX-Kollaboration am Fermilab: 50.000 Jahre für p → μ- + X und 300.000 Jahre für p → e- + γ

Experimenteller Nachweis in der kosmischen Strahlung

Zu den neueren Experimenten zum Nachweis von Antiprotonen in der kosmischen Strahlung gehören die folgenden:

• BESS: ballongestütztes Experiment, geflogen 1993, 1995 und 1997.
• CAPRICE: ballongetragenes Experiment, geflogen 1994.
• HEAT: ballongestütztes Experiment, geflogen im Jahr 2000.
• AMS: weltraumgestütztes Experiment, Prototyp geflogen mit dem Space Shuttle im Jahr 1998, vorgesehen für die Internationale Raumstation, aber noch nicht gestartet.
• PAMELA: Satellitenexperiment zum Nachweis von kosmischer Strahlung und Antimaterie aus dem Weltraum, gestartet im Juni 2006.

Verwendungen

Antiprotonen werden am Fermilab routinemäßig für physikalische Kollisionsoperationen im Tevatron erzeugt, wo sie mit Protonen kollidieren. Die Verwendung von Antiprotonen ermöglicht eine höhere durchschnittliche Energie der Kollisionen zwischen Quarks und Antiquarks als dies bei Proton-Proton-Kollisionen möglich wäre. Die theoretische Grundlage dafür ist, dass die Valenzquarks im Proton und die Valenzantiquarks im Antiproton dazu neigen, den größten Teil des Impulses des Protons oder Antiprotons zu tragen.

Siehe auch

• Antimaterie
• Elementarteilchen
• Positron
• Proton

Anmerkungen

• Forward, Robert L. 2001. Mirror Matter: Pioneering Antimatter Physics. Lincoln, NE: Backinprint.com. ISBN 0595198171
• Fraser, Gordon. 2002. Antimatter: The Ultimate Mirror. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0521893097
• Kondo, K., und S. Kim. 1994. 9th Topical Workshop on Proton-Antiproton Collider Physics. Frontier Science Series No. 11. Tokyo, Japan: Universal Academy Press. ASIN B000RFVPI4
• Santilli, Ruggero Maria. 2006. Isodual Theory of Antimatter: with applications to Antigravity, Grand Unification and Cosmology (Fundamental Theories of Physics). New York, NY: Springer. ISBN 1402045174

Alle Links abgerufen am 6. April 2016.

• Antiproton weighs in physicsworld.com.
• The Golden Anniversary of the Antiproton Science@BerkeleyLab. (Gibt die Geschichte der Antiprotonen-Entdeckung wieder.)
• Einführung in den Antiprotonen-Beschleuniger CERN.

Teilchen in der Physik

Elementarteilchen

Elementarfermionen: Quarks: u – d – s – c – b – t – Leptonen: e – μ – τ – νe – νμ – ντ
Elementar-Bosonen: Eichbosonen: γ – g – W± – Z0 – Geister

Verbundteilchen

Hadronen: Baryonen(list)/Hyperonen/Nukleonen: p – n – Δ – Λ – Σ – Ξ – Ω – Ξb – Mesonen(list)/Quarkonen: π – K – ρ – J/ψ – Υ
Andere: Atomkern – Atome – Moleküle – Positronium

Hypothetische Elementarteilchen

Superpartner: Axino – Dilatino – Chargino – Gluino – Gravitino – Higgsino – Neutralino – Sfermion – Slepton – Squark
Andere: Axion – Dilaton – Goldstone-Boson – Graviton – Higgs-Boson – Tachyon – X – Y – W‘ – Z‘

Hypothetische zusammengesetzte Teilchen

Exotische Hadronen: Exotische Baryonen: Pentaquark – Exotische Mesonen: Glueball – Tetraquark
Andere: Mesonisches Molekül

Quasiteilchen

Davydov-Soliton – Exziton – Magnon – Phonon – Plasmon – Polariton – Polaron