August 1932: Entdeckung des Positrons
Andersons Nebelkammerbild der kosmischen Strahlung aus dem Jahr 1932 zeigt zum ersten Mal die Existenz des Anti-Elektrons. Das Teilchen tritt von unten ein, trifft auf die Bleiplatte in der Mitte und verliert Energie, wie man an der stärkeren Krümmung des oberen Teils der Bahn erkennen kann.
Star Trek-Schöpfer Gene Roddenberry hat eine Menge tatsächlicher Wissenschaft in die Serie einfließen lassen, die zu einer der erfolgreichsten aller Zeiten wurde. Eine davon ist der Materie/Antimaterie-Antrieb, der die Enterprise antreibt und es ihr angeblich ermöglicht, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen.
Im Jahr 1928 zeigte der britische Physiker Paul Dirac, dass Einsteins Relativitätstheorie impliziert, dass jedes Teilchen im Universum ein entsprechendes Antiteilchen hat, das die gleiche Masse wie sein Zwilling, aber die entgegengesetzte elektrische Ladung besitzt.
Die Jagd nach einer experimentellen Bestätigung dieser Hypothese begann; ein Caltech-Postdoc namens Carl D. Anderson sollte das Rennen gewinnen.
Anderson wurde 1905 als Sohn Schweizer Eltern in New York City geboren. Als er 7 Jahre alt war, zog die Familie nach Los Angeles um, und seine Eltern ließen sich kurz darauf scheiden. Anderson half schon in jungen Jahren, die Familie zu unterstützen, schaffte es aber trotzdem, eine College-Ausbildung am Caltech zu erhalten. Ursprünglich wollte er Elektrotechnik studieren, wechselte aber zur Physik, nachdem er einen besonders inspirierenden Kurs in diesem Fach belegt hatte. Schließlich promovierte er am Caltech in Physik-Engineering (heute als angewandte Physik bekannt).
Anderson verbrachte den größten Teil seiner Karriere am Caltech. Seine frühen Forschungen galten der Röntgenstrahlung, doch dann entdeckte Victor Hess 1930 die kosmische Strahlung. Auf Anraten seines Mentors Robert A. Millikan wandte Anderson seine Aufmerksamkeit der Untersuchung dieser hochenergetischen Teilchen zu. Die meisten Wissenschaftler taten dies mit Hilfe von Nebelkammern: ein kurzer Zylinder mit Glasendplatten, der ein mit Wasserdampf gesättigtes Gas enthält. Wenn ein ionisierendes Teilchen die Kammer durchquert, hinterlässt es eine Spur von Wassertröpfchen, die fotografiert werden können. Durch die Messung der Tröpfchendichte können Wissenschaftler ableiten, wie viel Ionisierung erzeugt wurde – ein Hinweis auf die Art des Teilchens, das die Kammer passiert hat.
Anderson baute seine eigene, verbesserte Version einer Nebelkammer, in die er einen Kolben einbaute, um den Druck sehr schnell abfallen zu lassen. Außerdem verwendete er eine Mischung aus Wasser und Alkohol in der Kammer. Und er erhielt viel bessere Aufnahmen als seine Kollegen. Er umgab seine Kammer mit einem großen Elektromagneten, der bewirkte, dass sich die Bahnen der ionisierenden Teilchen zu Kreisbahnen krümmten. Indem er die Krümmung dieser Bahnen maß, konnte er den Impuls der Teilchen berechnen und das Vorzeichen der Ladung bestimmen.
Die resultierenden Fotografien überraschten Anderson, indem sie offenbarten, dass die kosmische Strahlung Schauer von sowohl positiv als auch negativ geladenen Teilchen produzierte, und dass die positiven Ladungen nicht Protonen sein konnten, wie man vielleicht erwarten würde, weil der Radius der Bahn einen Protonen-Stoppabstand angeben würde, der viel kürzer als die Länge der Bahn ist.
Anderson und Millikan spekulierten, dass die positiv geladenen Teilchen vielleicht Elektronen waren, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegten.
Um die Hypothese zu testen, platzierte Anderson eine Bleiplatte in der Kammer. Wenn die Teilchen durch die Platte hindurchgingen, kamen sie auf der anderen Seite mit einer geringeren Energie als zu Beginn wieder heraus, so dass die Bewegungsrichtung abgeleitet werden konnte.
Im August 1932 nahm Anderson das historische Foto eines positiv geladenen Elektrons (heute als Positron bekannt) auf, das durch die Bleiplatte in der Nebelkammer hindurchging. Es war definitiv ein positiv geladenes Teilchen, und es bewegte sich nach oben.
Trotz anfänglicher Skepsis in der wissenschaftlichen Gemeinschaft wurde Andersons Ergebnis im folgenden Jahr bestätigt, und die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass das Positron eines von zwei positiven und negativen Elektronen war, die bei der Umwandlung eines Gammastrahls in Materie entstehen.
Seine Entdeckung brachte Anderson 1936 den Nobelpreis für Physik ein, im Alter von 31 Jahren – die jüngste Person, die so geehrt wurde. Antiprotonen – Protonen mit negativer statt der üblichen positiven Ladung – wurden 1955 von Forschern der University of California, Berkeley, entdeckt, das Antineutron ein Jahr später. Es sollte weitere 30 Jahre dauern, bis Wissenschaftler die ersten Anti-Atome erzeugten.
Im Jahr 1995 nutzten CERN-Forscher den Low Energy Antiproton Ring (LEAR), um Antiprotonen nicht zu beschleunigen, sondern zu verlangsamen. Auf diese Weise gelang es ihnen, Positronen und Antiprotonen miteinander zu koppeln und neun Wasserstoff-Anti-Atome zu erzeugen, von denen jedes nur 40 Nanosekunden dauert.
Innerhalb von drei Jahren produzierte die CERN-Gruppe bis zu 2000 Anti-Wasserstoff-Atome pro Stunde.
Das ist immer noch nicht genug, um einen praktischen Antimaterie-Antrieb zu erreichen. Man bräuchte tonnenweise Antiprotonen, um interstellare Ziele zu erreichen, doch die CERN-Anlage produziert in einem Jahr nur so viele Antiprotonen, dass eine 100-Watt-Glühbirne drei Sekunden lang leuchtet. Ganz zu schweigen von den riesigen Energiemengen, die benötigt werden, um die intensiven Strahlen zu betreiben, die die Antiprotonen erzeugen.
Im Jahr 2000 gaben NASA-Wissenschaftler jedoch erste Entwürfe für einen Antimaterie-Antrieb bekannt, der in der Lage sein könnte, ein Raumschiff für eine Reise zum Mars mit nur einem Millionstel Gramm Antimaterie anzutreiben.
Das Positron hat eine nützliche Anwendung gefunden: die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Dieses medizinische Bildgebungsverfahren nutzt die niederenergetische Annihilation von Elektronen und Positronen, um das Innenleben des Gehirns abzubilden. Dabei werden einem Patienten radioaktive Kerne injiziert und die daraus resultierenden Gammastrahlenpaare beobachtet. Die erzeugte Energie reicht nicht aus, um auch nur das leichteste Teilchen und Antimaterie zu bilden und tritt stattdessen als zwei Gammastrahlen aus.