Teilchenkollisionen mit hoher Energie können Materie-Antimaterie-Paare oder Photonen erzeugen, während Materie-Antimaterie-Paare sich vernichten, um Photonen zu erzeugen, wie diese Blasenkammerspuren zeigen. Aber was bestimmt, ob ein Teilchen Materie oder Antimaterie ist? Bildnachweis: Fermilab.

Fragen Sie Ethan: Was ist so "Anti" an Antimaterie?

Partikel haben viele Eigenschaften, und obwohl jeder ein Antiteilchen hat, ist nicht jeder Materie oder Antimaterie.

Für jedes Materieteilchen, von dem bekannt ist, dass es im Universum existiert, gibt es ein Gegenstück zur Antimaterie. Antimaterie hat viele der gleichen Eigenschaften wie normale Materie, einschließlich der Art der Wechselwirkung, der Masse, der Größe der elektrischen Ladung und so weiter. Es gibt aber auch ein paar grundsätzliche Unterschiede. Zwei Dinge sind jedoch bei Materie-Antimaterie-Wechselwirkungen sicher: Wenn Sie ein Materieteilchen mit einem Antimaterie-Gegenstück kollidieren, werden beide sofort zu reiner Energie zerstört sein Gegenstück zur Antimaterie. Was macht Antimaterie überhaupt so "anti"? Das möchte Robert Nagle wissen, als er fragt:

Was ist der grundsätzliche Unterschied zwischen Materie und ihrer Antimaterie? Gibt es eine Art von intrinsischer Eigenschaft, die bewirkt, dass ein Partikel Materie oder Antimaterie ist? Gibt es eine intrinsische Eigenschaft (wie Spin), die Quarks und Antiquarks unterscheidet? Was bringt das "Anti" in die Antimaterie?

Um die Antwort zu verstehen, müssen wir uns alle vorhandenen Partikel (und Antiteilchen) ansehen.

Die Partikel und Antiteilchen des Standardmodells erfüllen alle Arten von Erhaltungsgesetzen, es gibt jedoch grundlegende Unterschiede zwischen fermionischen Partikeln und Antiteilchen und Bosonischen Partikeln. Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Dies ist das Standardmodell der Elementarteilchen: die vollständige Reihe der entdeckten Teilchen im bekannten Universum. Im Allgemeinen gibt es zwei Klassen dieser Teilchen, die Bosonen mit ganzzahligen Spins (…, -2, -1, 0, +1, +2,…), die weder Materie noch Antimaterie sind, und die Fermionen mit Ganzzahlige Spins (…, -3/2, -1/2, +1/2, +3/2,…) und müssen entweder vom Typ Materie oder vom Typ Antimaterie sein. Für jedes Partikel, über das Sie nachdenken können, wird es eine Menge inhärenter Eigenschaften geben, die durch das definiert werden, was wir Quantenzahlen nennen. Dies umfasst für ein einzelnes Partikel eine Reihe von Merkmalen, mit denen Sie wahrscheinlich vertraut sind, sowie einige, mit denen Sie möglicherweise nicht vertraut sind.

Diese möglichen Konfigurationen für ein Elektron in einem Wasserstoffatom sind außerordentlich verschieden voneinander, repräsentieren jedoch alle das gleiche exakte Teilchen in einem geringfügig unterschiedlichen Quantenzustand. Teilchen (und Antiteilchen) haben auch innere Quantenzahlen, die nicht geändert werden können, und diese Zahlen sind entscheidend dafür, ob ein Teilchen Materie, Antimaterie oder keine ist. Bildnachweis: PoorLeno / Wikimedia Commons.

Die einfachen sind Dinge wie Masse und elektrische Ladung. Ein Elektron hat zum Beispiel eine Ruhemasse von 9,11 × 10 ^ –31 kg und eine elektrische Ladung von -1,6 × 10 ^ –19 C. Elektronen können sich auch mit Protonen zu einem Wasserstoffatom verbinden, mit einer Reihe von Spektrallinien und Emissions- / Absorptionsmerkmale basieren auf der elektromagnetischen Kraft zwischen ihnen. Elektronen haben einen Spin von +1/2 oder -1/2, eine Leptonzahl von +1 und eine Leptonfamilienzahl von +1 für die erste (Elektron) der drei (Elektron, Mu, Tau) Leptonfamilien. (Der Einfachheit halber werden wir Zahlen wie schwaches Isospin und schwaches Hypercharge ignorieren.)

Angesichts dieser Eigenschaften eines Elektrons können wir uns fragen, wie das Antimaterie-Gegenstück des Elektrons auf der Grundlage der Regeln für Elementarteilchen aussehen müsste.

In einem einfachen Wasserstoffatom umkreist ein einzelnes Elektron ein einzelnes Proton. In einem Antiwasserstoffatom umkreist ein einzelnes Positron (Anti-Elektron) ein einzelnes Antiproton. Positronen und Antiprotonen sind die Antimaterie-Gegenstücke von Elektronen bzw. Protonen. Bildnachweis: Lawrence Berkeley Labs.

Die Größen aller Quantenzahlen müssen gleich bleiben. Bei Antiteilchen müssen die Vorzeichen dieser Quantenzahlen umgekehrt werden. Für ein Anti-Elektron bedeutet dies, dass es die folgenden Quantenzahlen haben sollte:

  • eine Ruhemasse von 9,11 × 10 ^ –31 kg,
  • eine elektrische Ladung von +1,6 × 10 ^ –19 C,
  • eine Drehung von (jeweils) -1/2 oder +1/2,
  • eine Leptonzahl von -1,
  • und eine Lepton-Familiennummer von -1 für die erste (Elektronen) Lepton-Familie.

Und wenn Sie es mit einem Antiproton zusammenbinden, sollte es genau die gleiche Reihe von Spektrallinien und Emissions- / Absorptionsmerkmalen erzeugen, die das Elektronen- / Protonensystem erzeugt.

Elektronenübergänge im Wasserstoffatom zeigen zusammen mit den Wellenlängen der resultierenden Photonen den Effekt der Bindungsenergie und die Beziehung zwischen dem Elektron und dem Proton in der Quantenphysik. Die Spektrallinien zwischen Positronen und Antiprotonen sind genau gleich. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Szdori und OrangeDog.

Alle diese Tatsachen wurden experimentell verifiziert. Das Teilchen, das dieser genauen Beschreibung des Anti-Elektrons entspricht, ist das als Positron bekannte Teilchen! Der Grund, warum dies notwendig ist, kommt, wenn Sie überlegen, wie Sie Materie und Antimaterie herstellen: Sie erzeugen sie normalerweise aus dem Nichts. Das heißt, wenn Sie zwei Teilchen mit einer ausreichend hohen Energie zusammenstoßen, können Sie häufig aus der überschüssigen Energie (aus Einsteins E = mc2) ein zusätzliches Teilchen-Antiteilchen-Paar bilden, das Energie spart.

Wann immer Sie ein Teilchen mit seinem Antiteilchen kollidieren, kann es sich in reine Energie auflösen. Das heißt, wenn Sie zwei Partikel überhaupt mit genügend Energie kollidieren, können Sie ein Materie-Antimaterie-Paar bilden. Bildnachweis: Andrew Deniszczyc, 2017.

Sie müssen jedoch nicht nur Energie sparen. Es gibt eine Menge von Quantenzahlen, die Sie auch konservieren müssen! Und dazu gehören alle folgenden:

  • elektrische Ladung,
  • Drehimpuls (der „Spin“ und „Orbital“ -Drehimpuls kombiniert; für einzelne, ungebundene Partikel ist das nur „Spin“),
  • leptonzahl,
  • Baryonenzahl,
  • lepton familienzahl,
  • und Farbladung.

Von diesen intrinsischen Eigenschaften gibt es zwei, die Sie entweder als "Materie" oder "Antimaterie" definieren, und diese sind "Baryonenzahl" und "Leptonenzahl".

Im frühen Universum gab es außerordentlich viele Teilchen und ihre Antimaterieteilchen, aber als sich das Universum abkühlte, vernichtete sich die Mehrheit. Die konventionelle Materie, die wir heute übrig haben, stammt von den Quarks und Leptonen mit positiven Baryon- und Leptonenzahlen, die die Anzahl ihrer Antiquark- und Antilepton-Gegenstücke übersteigen. (Hier werden nur Quarks und Antiquarks gezeigt.) Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Wenn eine dieser Zahlen positiv ist, sind Sie wichtig. Deshalb sind Quarks (die jeweils eine Baryonenzahl von +1/3 haben), Elektronen, Myonen, Tausend und Neutrinos (die jeweils eine Leptonenzahl von +1 haben) wichtig, während Antiquarks, Positronen, Antimyonen und Antitausend und Anti-Neutrinos sind alle Antimaterie. Dies sind alle Fermionen und Antifermionen, und jede Fermion ist ein Materieteilchen, während jede Antifermion ein Antimaterieteilchen ist.

Die Partikel des Standardmodells mit Massen (in MeV) oben rechts. Die Fermionen bilden die linken drei Säulen; Die Bosonen füllen die rechten beiden Spalten. Während alle Teilchen ein entsprechendes Antiteilchen haben, können nur die Fermionen Materie oder Antimaterie sein. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Amt für Wissenschaft, US-Energieministerium, Partikeldatengruppe.

Es gibt aber auch die Bosonen. Es gibt Gluonen, die für ihre Antiteilchen die Gluonen der entgegengesetzten Farbkombinationen haben; es gibt das W +, das das Antiteilchen des W- ist (mit entgegengesetzter elektrischer Ladung), und es gibt das Z0, das Higgs-Boson und das Photon, die ihre eigenen Antiteilchen sind. Bosonen sind jedoch weder Materie noch Antimaterie. Ohne eine Lepton- oder Baryonenzahl können diese Teilchen elektrische Ladungen, Farbladungen, Drehungen usw. aufweisen, aber niemand kann sich zu Recht als "Materie" oder "Antimaterie" bezeichnen, und ihr Antiteilchen-Gegenstück ist das andere. In diesem Fall sind Bosonen einfach Bosonen. Wenn sie keine Ladungen haben, sind sie einfach ihre eigenen Antiteilchen.

Auf allen Ebenen des Universums, von unserer lokalen Nachbarschaft über das interstellare Medium bis hin zu einzelnen Galaxien, Clustern bis hin zu Filamenten und dem großen kosmischen Netz, scheint alles, was wir beobachten, aus normaler Materie und nicht aus Antimaterie zu bestehen. Dies ist ein ungeklärtes Rätsel. Bildnachweis: NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Also, was bringt das "Anti" in Antimaterie? Wenn Sie ein einzelnes Teilchen sind, dann hat Ihr Antiteilchen die gleiche Masse wie Sie mit allen entgegengesetzten konservierten Quantenzahlen: Es ist das Teilchen, das in der Lage ist, sich mit Ihnen zu reiner Energie zu vernichten, wenn Sie sich jemals treffen. Aber wenn Sie wichtig sein wollen, müssen Sie entweder eine positive Baryon- oder eine positive Lepton-Zahl haben. Wenn Sie Antimaterie sein möchten, müssen Sie entweder eine negative Baryon- oder eine negative Lepton-Zahl haben. Darüber hinaus gibt es keinen Grund, warum unser Universum Materie der Antimaterie vorgezogen hat. Wir wissen immer noch nicht, wie diese Symmetrie gebrochen wurde. (Obwohl wir Ideen haben.) Wenn sich die Dinge anders entwickelt hätten, würden wir wahrscheinlich alles, was wir aus Materie und ihrer gegenteiligen Antimaterie gemacht haben, nennen, aber wer welchen Namen bekommt, ist völlig willkürlich. Wie in allen Dingen ist das Universum auf die Überlebenden ausgerichtet.

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Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.