Extreme Physik

In Dan Browns Bestseller »Illuminati« planen Verschwörer, den Vatikan auszulöschen. Dass sie dafür Antimaterie verwenden wollen, mag als reine Sciencefiction erscheinen. Aber der Eindruck täuscht: Die Forscher entdecken immer neue Einsatzmöglichkeiten des geheimnisvollen Stoffes. Was da in den Labors vor sich geht, sprengt unser Denken.

Ein Kernforscher wird in seinem Schweizer Labor ermordet . In seine Brust sind mysteriöse Symbole eingraviert – die Zeichen der legendären »Illuminati«: eine Geheimgesellschaft brillanter Wissenschaftler, die seit Jahrhunderten gegen Kirche und Religion kämpft. Sie verfolgt einen finsteren Plan: den Vatikan mit einer Antimaterie-Bombe in die Luft zu jagen. Dazu wurde aus dem Labor Antimaterie entwendet.

Wie viel Science steckt in diesem Sciencefiction-Bestseller »Illuminati« von Dan Brown? Kann man wirklich Antimaterie-Waffen bauen? Tatsächlich wird – wie im Thriller – in der friedlichen Schweiz diese explosivste Substanz des Universums hergestellt! Ihre Energie ist zehn Milliarden Mal so groß wie die aus Sprengstoff. Schon ein millionstel Gramm Antimaterie reicht aus, um eine Detonation von solcher Energie auszulösen, dass die Explosion einer Atombombe dagegen nur ein schwacher Funke wäre.

Doch bis heute ist mit der Produktion keinerlei Gefahr verbunden, denn es werden in der Genfer Teilchenfabrik CERN nur winzige Mengen an Antimaterie erzeugt. Gelänge es aber, größere Vorräte davon herzustellen, dann besäße die Menschheit eine unvergleichlich reiche Quelle an Energie z. B. für fantastische Raumschiff-Antriebe. Auch in der Medizin wäre Antimaterie von Nutzen, denn sie frisst Krebszellen.

Dieser exotischste Stoff der Welt ist nicht nur hoch interessant für Militärs, Raketenkonstrukteure und Ärzte, sondern auch für Kosmologen und Physiker. Bei den Experimenten im CERN hilft die Furcht erregende Masse dabei, den Zustand des Weltalls beim Urknall zu simulieren. Denn die Wissenschaftler haben sich die Aufgabe gestellt, die Frage nach der Entstehung der Materie und damit auch des Menschen zu beantworten.

Die Idee, dass überhaupt so etwas wie Antimaterie existieren könnte, kam Ende der zwanziger Jahre des letzten Jahrhunderts auf. Ihr Urheber war der britische Physiker Paul Dirac. Einsteins Relativitätstheorie war damals längst bekannt. Sie zeigte, dass Materie und Energie austauschbar sind, ineinander umgewandelt werden können. Noch nicht so bekannt war damals die neue Quantenmechanik. Wie Einsteins Gleichungen sich im Bereich des Makrokosmos bewährten, so be-schrieben ihre Formeln den Mikrokosmos.

Deshalb gab es erste Versuche, diese beiden Theorien zu vereinigen. Dirac wollte sie »auf einen Nenner bringen«. Also entwickelte er mathematische Formeln und Gleichungen, die beiden Theorien gerecht wurden. Als er an einer solchen Gleichung für das Teilchen namens Elektron arbeitete, entdeckte er etwas Bizarres: Es gab zwei Lösungen – von denen aber nur eine sofort akzeptabel erschien. Die andere passte nicht zu der bis dahin gültigen Physik. Alle Erfahrungen aber zeigen, dass zu jeder mathematischen Lösung immer auch eine »Entsprechung in der Wirklichkeit« gehört. Anders gesagt: Was es im Bereich der Zahlen gibt, das kommt auch in der Natur vor.

Nach einem Jahr des Rätselratens hatte der damals 26-Jährige die Erklärung für das geheimnisvolle Doppelergebnis seiner Gleichung gefunden: Die zweite Lösung bezeichnete eine völlig neue Art von Teilchen. Die Masse dieses Teilchens entspricht der eines normales Elektrons, nur seine elektrische Ladung ist genau »anders herum«: Das Elektron ist negativ geladen, das neue Teilchen dagegen positiv – ein Spiegelbild des Elektrons, ein »Anti-Elektron«.

Vier Jahre später, am 2. August 1932, tauchte in einem Teilchendetektor tatsächlich ein Anti-Elektron auf. Wegen seiner positiven Ladung wurde es »Positron« genannt. 1955 erzeugten Wissenschaftler erstmals auch Anti-Protonen. Heute weiß man: Alle Teilchen können als Antiteilchen erscheinen.

Schon als Dirac 1933 seinen Nobelpreis entgegennahm, vertrat er in seiner Dankesrede die Meinung, es sei ein schlichter Zufall, dass die Erde aus Materie und nicht aus Antimaterie bestehe. Er spekulierte: »Es ist durchaus möglich, dass es bei einigen Himmelskörpern genau umgekehrt ist.« Mit anderen Worten: Möglicherweise gibt es Anti-Sterne und Anti-Planeten – vielleicht sogar Anti-Menschen: Lebewesen, die sich zu uns verhalten wie Fotonegative zu Fotopositiven, wie Spiegelbild zu Bild.

Worauf stützte Dirac diese kühne Behauptung? Darauf, dass es in der Natur eine tiefe, ja grundlegende Symmetrie gibt. Schon der Philosoph Kant hat vermutet, dass es zu allem Positiven auch das Negative geben muss. Auch in den Veden, den grundlegenden Schriften der Hindus, basiert die Schöpfung auf einer geheimnisvollen Ausgewogenheit der Substanzen Purusha (Antimaterie) und Prakriti (Urmaterie).

Auf dem unverbrüchlichen Glauben an die Symmetrie beruht seit den 1960er Jahren selbst die naturwissenschaftliche Schöpfungsgeschichte. Der Urknall war am Anfang ein allgewaltiger, höchst symmetrischer Energieblitz. »Die meisten Forscher«, so CERN-Physiker Rolf Landua, »gehen davon aus, dass der Big Bang genauso viel Materie wie Antimaterie produziert hat.« Die Fachleute sprechen von »Charge Parity« – Parität der Ladung.

Doch dieses sonst so erfolgreiche Standardmodell stößt an seine Grenzen, wenn es um die gewaltigsten Vorgänge im Universum geht: den Urknall vor rund 15 Milliarden Jahren. Weil nämlich Anti-Partikel und Normal-Materie genau entgegengesetzte elektrische Ladung besitzen, löschen sie sich gegenseitig aus, wenn sie einander begegnen. Sie stürzen gleichsam in einen energieversprühenden Freitod. Denn ihre kombinierten Massen werden in Form von Gammastrahlen als Energie freigesetzt.

Nach dem Symmetrie-Modell also hätten sich Materie und Antimaterie wieder vernichten müssen. »Warum haben sich in den ersten Mikrosekunde nach dem Urknall nicht alle Teilchen mit den Antiteilchen ausgelöscht? Warum ist nicht alles in Strahlung aufgegangen?«, fragt CERN-Forscher Rolf Landua. Warum sind wir Menschen materielle Wesen und keine Lichtteilchen, die durchs Universum treiben? Warum gibt es etwas und nicht vielmehr nichts?

Dass sich Galaxien, Sonnensysteme und Planeten gebildet haben, erklären die Forscher mit einer »Charge Parity Violation«, einer »Verletzung der Ladungsparität«. Und sie entwerfen dazu folgendes Szenario: Eine millionstel Sekunde nach dem Urknall löschten sich in der größten Vernichtungsorgie aller Zeiten 99,99999999 Prozent der Teilchen und Antiteilchen aus. Bei diesem kosmischen Showdown entging schätzungsweise nur jeweils eines von 30 Milliarden Materiepartikeln der Vernichtung. Diesen Überbleibseln verdanken wir unsere Existenz. Sie klumpten sich zu all den Sternen und Planeten zusammen, die sich heute in unserem Universum verteilen.

Das wirft sofort die Frage auf: Wenn der Urknall asymmetrisch ablief – verdanken wir unsere Existenz dann einem »Webfehler« in den Naturgesetzen? Spiegelt der Bauplan des Universums etwa keine göttliche Symmetrie wider? Enthält er bereits Vorannahmen, Präferenzen, Ungleichgewichte? Und wenn es so ist – wo lässt sich diese Asymmetrie in den physikalischen Naturgesetzen aufspüren? Um diese Frage zu beantworten, wollen CERN-Forscher den Symmetriebruch erkunden, indem sie Teilchen erzeugen, die es seit kurz nach dem Urknall nicht mehr gibt: etwa Anti-Protonen, das Gegenstück der Protonen, die zusammen mit den Neutronen die Atomkerne der Materie bilden. Nach allen bislang geltenden Gesetzen der Physik müssten Materieteilchen und ihre Antipoden die gleiche Masse »auf die Waage bringen«. Anderfalls müssten die Theoretiker das Standardmodell neu schreiben.

Das Ergebnis der jüngsten Messung: Bis auf ein Zehnmilliardstel – zehn Stellen hinter dem Komma – stimmt die Masse von Protonen und Anti-Protonen überein. Also Entwarnung? Mitnichten – denn die Analysen haben gerade erst begonnen. »Noch genauere Auswertungen sind notwendig«, sagt Physiker Landua. Und sollten die Forscher doch noch eine Massenabweichung feststellen, dann wäre die Physik um ein Theoriegerüst ärmer – und ein Physiker um einen Nobelpreis reicher.

Doch nichts ist aufwändiger als die Herstellung von Antimaterie. Der Preis für die Herstellung von einem milliardstel Gramm Antimaterie liegt nach einer NASA-Schätzung derzeit bei sechs Milliarden Dollar. Unter normalen Umständen kommt die rätselhafte Schattenmaterie auf der Erde nicht vor: Erst in riesigen Beschleunigeranlagen, in denen atomare Partikel mit extrem hoher Energie aufeinander geschossen werden, materialisieren sich die eigentümlichen Antiteilchen.

Die Produktion von Antimaterie ist ein recht ineffizienter Prozess, denn zuerst muss Energie investiert werden, um sie an-schließend wieder zurückzugewinnen. Die Herstellung von Anti-Protonen startet mit der Herstellung von Protonen – und die entstehen gleichsam aus dem Nichts. Um sie aus dem Vakuum »herauszuschlagen«, muss man enorme Energien aufwenden. Dann schießen die CERN-Forscher mit einem Proton-Synchroton, einem Beschleuniger, Protonen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit auf einem kleinen Stab aus Iridium-Metall, nur zehn Zentimeter lang und drei Millimeter dick. Auf der anderen Seite kommen verschiedene Teilchen heraus, u. a. Anti-Protonen. Mit höllischer Geschwindigkeit jagen sie durch einen 27 Kilometer langen Ring aus Vakuumröhren – gigantische Magnetfelder verhindern dabei, dass sie die Außenwand der Röhre berühren, denn dann würden sich Materie und Antimaterie gegenseitig auslöschen.

Aber mit ihrer Herstellung sind die Teilchen ja noch nicht eingesammelt. Was dazu notwendig ist, hat sich einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Antimaterie-Speicherung ausgedacht: Gerald Smith, Direktor des Laboratoriums für Elementarteilchenforschung an der Pennsylvania State University. Er schickt am Genfer CERN die produzierten Anti-Protonen in einen zweiten, wesentlich kleineren Ring, in dem sie mittels Magnetfeldern stark abgebremst werden. Dann lässt er die langsamen Teilchen durch eine hauchdünne Metallfolie fliegen – hier löschen sich einige Antiteilchen und Materieteilchen gegenseitig aus, ein Teil der negativen Anti-Protonen passiert aber die Barriere und fliegt verlangsamt weiter. Diese Antimaterie trifft auf eine Gaswolke von separierten negativen Materie-Elektronen: Beim Zusammenprall der negativen Ladungen verlieren die Anti-Protonen letztlich so viel ihrer ursprünglichen Bewegungsenergie, dass sie von umgebenden Magnetfeldern in einem Vakuum in der Schwebe gehalten werden können. In dieser »Penning Trap«, einer Magnetfalle, konnten bis jetzt rund eine Million Antimaterie-Teilchen quasi auf Flaschen abgefüllt werden. Diese Menge ist für wissenschaftliche Zwecke ausreichend, nicht aber für die Herstellung von Raketentreibstoff oder von Munition für eine Superwaffe. Und mehr als hundert Milliarden Anti-Protonen lassen sich mit dieser Methode ohnehin nicht sammeln, schätzen die Experten: Zu stark sind die Abstoßungskräfte zwischen den Anti-Protonen und Elektronen.

Wie vergrößert man die Ausbeute? Indem man keine negativen Anti-Protonen in die Penning Trap schickt, sondern ganze Anti-Atome: Diese sind elektrisch neutral, werden also von den Materie-Elektronen nicht abgestoßen und weggeschleudert – die Antimaterie ließe sich dadurch stärker komprimieren, sodass man größere Vorräte anlegen könnte. Und welcher Stoff soll seine Anti-Atome dafür hergeben? »Einen Ausweg bietet die Herstellung von Anti-Wasserstoff«, meint Smith – denn Wasserstoff gibt es überall und in nahezu unbegrenzter Menge.

Die Herstellung von Anti-Wasserstoff-Atomen ist bereits gelungen – ihre Speicherung aber ist technisch noch nicht ausgereift. Bislang »lebt« die Antimaterie nur 30 milliardstel Sekunden lang. Doch Smith ist guter Dinge, dass er sie schon bald über längere Zeit stabil halten und durch Abkühlung zu winzigen Tröpfchen oder Kristallen kondensieren lassen kann. Dann könnte Antimaterie in weitaus kleineren Behältern aufbewahrt werden als in den boilergroßen Penning Traps.

Allein diese Behälter wären in der Medizin ein enormer Fortschritt: Man könnte darin auch radioaktive Isotope für den Betrieb von Positronen-Emissions-Tomografen (PET) über weite Strecken transportieren. Bisher befinden sich PET-Scanner vorzugsweise in der Nähe von Teilchenbeschleunigern, weil auch die Isotope hier erzeugt werden. »Portable Anti-Protonen-Behälter würden die Isotopen-Produktion standortunabhängig machen«, meint Smith.

Aber die Medizin würde auch von der Antimaterie selbst profitieren: Anti-Protonen beispielsweise ließen sich in der Tumorbekämpfung einsetzen. Mit diesen Anti-Protonen kann man die Energie wesentlich effizienter platzieren, als es mit Materie-Protonen in der herkömmlichen Radiotherapie von Krebsgeschwüren möglich war. Teilchen (Krebszelle) und Antiteilchen (Anti-Proton) zerstören sich gegenseitig, wenn sie aufeinander treffen – die Tumorzelle zerplatzt wie eine Seifenblase.

Was den Einsatz von Anti-Wasserstoff angeht, ließe sich eine schier unbegrenzte Energie auf allerkleinstem Raum speichern. Im Gegensatz zu anderen Energieformen wäre ein »Anti-Wasserstoff-Tank« mikroskopisch klein, würde aber ein Fahrzeug über lange Zeit antreiben können. »Wenn das funktioniert, dann hätten wir reine Energie. Das könnte das sauberste Antriebsmittel werden, das es je gegeben hat, und zu einer sehr billigen Ressource werden«, schwärmt Kenneth Edwards, Direktor der Abteilung für »Revolutionary Munitions« beim Pentagon.

Schon eine Kraftstoffmenge, die in einem Zuckerwürfel Platz findet, wäre imstande, eine 100 Tonnen schwere US-Raumfähre ins All zu hieven. Man könne damit auch unbemannte Überwachungsflugzeuge permanent in der Luft halten oder bemannte Raumschiffe zum Mars schicken. Für die Entwicklung eines Prototyps des Antimaterie-Antriebs brauche man, so Edwards, zwei Milliarden US-Dollar und 15 Jahre Zeit. Für die sichere Aufbewahrung des hochexplosiven Treibstoffs, so sein Vorschlag, müss-te man Anti-Wasserstoff bis auf wenige Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt (minus 273 Grad Celsius) abkühlen. Die Atome dieses bizarren Eisballes wären so träge, dass sie nicht mit normaler Materie reagieren würden.

Man sieht: Anti-Wasserstoff hat viele Potenziale. Auch winzig kleine, äußerst zerstörerische Antimaterie-Waffen ließen sich damit bauen. Sie hätten eine gewaltigere Zerstörungskraft als Atombomben – zugleich aber würden sie »sauber« sein, also keine Radioaktivität freisetzen.

Wenn die Speichermethoden ausgereift sind, können die Wissenschaftler ans Sammeln von Anti-Wasserstoff gehen. »In den letzten zehn Jahren haben wir am CERN nur wenige milliardstel Gramm Antiteilchen produziert«, sagt Landua. Um auf ein volles Gramm Anti-Wasserstoff zu kommen, benötigen sie so viele einzelne Atome, wie es Wassertropfen im Atlantischen Ozean gibt.

Aber was ist schon ein Gramm? Für interstellare Flüge oder Antimaterie-Waffen müssten unvorstellbare Mengen an Antimaterie hergestellt werden. Dennoch sehen die Wissenschaftler keinen Grund zum Verzagen: In den 1940er Jahren sei es mit dem angereicherten Uran für Atombomben ähnlich gewesen, argumentiert US-Forscher Robert Frisbee. »Zu dieser Zeit schien es unmöglich, eine Tonne davon zu produzieren. Jetzt haben wir so viele Tonnen, dass wir aufgehört haben, es herzustellen.«

Die Erforschung und Produktion von Antimaterie wird weitergehen. Und während Physiker immer tiefer in das Innere der Materie blicken, richten Kosmologen ihren Blick immer weiter ins All hinaus. Sie halten es für denkbar, dass in irgendeinem fernen Winkel des Kosmos eine isolierte Gaswolke aus Antimaterie das anfängliche Inferno des Big Bang heil überstanden hat. Aus diesem Sternenstaub könnte sich dann eine Anti-Welt entwickelt haben, besiedelt von einer Anti-Menschheit.

»Man kann sich durchaus vorstellen, dass es auch ›Anti-Menschen‹ gibt«, sagt der Wissenschafts-Autor Wolfgang Jeschke. »Denn so wie Materie kann wohl auch Antimaterie größere Strukturen bilden.« Wie aber sähe es in dieser Anti-Welt wohl aus? Fallen Gewichte aus Antimaterie etwa, so fragen sich die Wissenschaftler, doppelt so schnell nach unten wie gewöhnliche? Oder steigt losgelassene Antimaterie gar wie ein Luftballon aufwärts? Ähnelt diese Anti-Welt vielleicht der Spiegel-Welt, die Lewis Carrol 1877 in seinem Kinderbuch »Alice hinter den Spiegeln« beschreiben hat? »Auf der anderen Seite der Glasfläche sind die Bücher ungefähr wie die unseren«, erzählt Alice darin ihrer Katze. »Allerdings«, so das Mädchen, die Wörter liefen »alle nach der falschen Seite«.

Ob Antimaterie durchs All treibt – das wird mit dem 2,5 Tonnen schweren »Alpha-Magnet-Spektrometer« (AMS) der Internationalen Raumstation ISS untersucht. Der Detektor kann ein einziges Antiteilchen unter zehn Milliarden »normalen« Teilchen herausfischen. »Wenn auch nur ein Anti-Kohlenstoff gefunden würde, wäre die Wahrscheinlichkeit hoch, dass es auch Anti-Sonnen gibt und mithin Anti-Galaxien«, sagt Forscher Landua.

Dann aber gibt es auch Anti-Asteroiden und Anti-Kometen. »Solche kosmischen Geschosse«, so Physiker Paul Davies, »könnten durchaus ihren Weg zur Erde finden.« Schon ein erbsengroßes Stück Antimaterie würde dabei in der Erdatmosphäre eine Explosion im Kilotonnenbereich bewirken, also so stark sein wie eine kleine Atombombe. »So ein Antimaterie-Einschlag«, davon ist der Nobelpreisträger Williard Libby überzeugt, »hat sich am 13. Juni 1908 in der abgelegenen Tunguska-Region von Sibirien ereignet.« Eine Forschungsexpedition fand hier Beweise für eine gewaltige Zerstörungskraft: In riesigen Waldflächen wa-ren die Bäume wie Streichhölzer umgeknickt – doch ein Krater und Meteoritentrümmer wurden nicht entdeckt. Wenn aber Antimaterie dahinter steckt: Könnte dann auch das Aussterben der Dinosaurier durch eine solche Katastrophe ausgelöst worden sein?

Es ist nun schon 77 Jahre her, seit Dirac zum ersten Mal über diese rätelhafte Materie nachgedacht hat. Heute wird sie in Labors routinemäßig hergestellt. In der Asymmeterie der Welt suchen wir den Schlüssel zum Verständnis unserer Existenz. Und wer weiß, vielleicht sind gerade irgendwo draußen im Kosmos Anti-Wissenschaftler dabei, der Frage nachzugehen, ob es im Weltall Materie gibt. Begegneten wir ihnen, würden wir den Unterschied gar nicht merken. Nur zu nahe kommen dürften wir ihnen nicht. Und schon gar nicht die Hand geben. Dann würden wir in einem Energieblitz ausgelöscht. Hoffen wir also, dass wir ihnen niemals begegnen.

P.S.: Ob es übrigens den Verschwörern in den Buch »Illuminati« gelingt, den Vatikan mit Antimaterie in die Luft zu jagen – das verraten wir Ihnen nicht. Wir wollen Ihnen ja nicht die Spannung nehmen.