Wenn Gegensätze aufeinander treffen! Warum vernichten sich Materie und Antimaterie am Ende gegenseitig?

Eines der großen Rätsel des Universums ist die fehlende Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Beim Urknall hätte eine identische Menge an Materie und Antimaterie entstehen müssen, aber das ist nicht das, was wir heute sehen. Im Universum scheint die Materie die Menge der Antimaterie übertroffen zu haben, so dass wir am Ende viel mehr Objekte aus Materie und fast nichts aus Antimaterie sehen.

Antimaterie ist eine Art von Materie, die aus Antiteilchen besteht, die eine Symmetrie der Teilchen, wie wir sie kennen, darstellen würden. Jedes Antiteilchen hat die gleiche Masse und den gleichen Spin wie das entsprechende Teilchen, der große Unterschied liegt in der Ladung. Während ein Elektron eine negative Ladung hat, hat ein Anti-Elektron, das Positron genannt wird, eine positive Ladung. Dasselbe gilt für das Proton und das Antiproton, die entgegengesetzte Ladungen haben.

Das Kuriose an der Antimaterie ist, dass, wenn ein Antiteilchen und ein Teilchen aufeinandertreffen, ein Prozess namens Annihilation stattfinden kann. Bei diesem Prozess würden sich die beiden Komponenten selbst vernichten und andere Teilchen wie Photonen oder sogar andere Teilchen mit Masse bilden. Aber was passiert bei diesem Prozess und wie begünstigt er eines der größten Rätsel des Universums?

Antimaterie

Antimaterie umfasst Atome, die aus Antiteilchen bestehen. Antiteilchen ähneln den Teilchen in fast allen Eigenschaften außer der Ladung. Jedes Teilchen hat ein Antiteilchen, das sich von ihm nur durch die Ladung unterscheidet, wie z. B. das Elektron hat ein Antiteilchen, das Positron, das dem Elektron in allem ähnlich ist, aber eine positive Ladung hat.

Da sich die Antiteilchen nur in Bezug auf die Ladung unterscheiden, beschreiben die bekannten Wechselwirkungen, die die Dynamik der Teilchen bestimmen, auch die Antiteilchen. Auf diese Weise ist es möglich, dass Antiteilchen-Atome aus demselben entstehen wie Teilchen aus Atomen. Eines der Geheimnisse der Physik ist jedoch, dass Antimaterie in der Natur nicht so leicht zu finden ist wie Materie.

Annihilation

Wenn ein Teilchen und sein entsprechendes Antiteilchen aufeinander treffen, können sie miteinander wechselwirken und sich schließlich gegenseitig vernichten. Dieser Prozess wird als Annihilation bezeichnet und beschreibt, wie ein Teilchen und ein Antiteilchen Masse zerstören und in Energie umwandeln können. Die Beschreibung der Annihilation wird durch die Einsteinsche Gleichung E = mc² bestimmt, in der Masse und Energie miteinander verknüpft sind.

Bei der Annihilation entstehen in der Regel Photonen mit hoher Energie als Gammastrahlung. Es ist möglich, dass bei anderen Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Antiteilchen Teilchen mit Masse entstehen. Die Art und Weise der Wechselwirkung der beiden Komponenten hängt jedoch von einer Wahrscheinlichkeitsfunktion und Eigenschaften wie dem Moment der Teilchen ab. In Anbetracht der Eigenschaften ist die Wahrscheinlichkeit der Annihilation groß.

Anti-material generation

Trotz der fehlenden Symmetrie und des Vorhandenseins von Antimaterie im Universum wird sie bei einigen Ereignissen sowohl auf natürliche als auch auf künstliche Weise erzeugt. Im Universum wird sie auf natürliche Weise bei Energieereignissen wie Supernovae oder bei der Wechselwirkung von Gammastrahlen mit Materie erzeugt. Bei diesen Energieereignissen werden Paare aus Materie und Antimaterie erzeugt.

Antimaterie kann auch auf der Erde bei Experimenten in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Wenn Protonen in den Beschleunigern beschleunigt werden und mit anderen Teilchen zusammenstoßen, kann bei der Kollision Antimaterie entstehen. Häufig werden dabei Positronen- und Antiprotonenbeschleuniger erzeugt.

Das Geheimnis des Universums

Eines der größten Rätsel des Universums ist die fehlende Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie, die sogenannte barionische Asymmetrie. Nach den derzeitigen Modellen sollte sich beim Urknall eine identische Menge an Materie und Antimaterie gebildet haben. Trotzdem zeigen die aktuellen und vergangenen Beobachtungen des Universums, dass die Materie überwiegt.

Dies führt zu der Frage, was mit der Antimaterie während der Entwicklung des Universums und insbesondere in den ersten Momenten geschah. Bis heute gibt es keine endgültige Erklärung für die baryonische Asymmetrie. Eine der Ideen ist die Verletzung der Ladungsparität, nach der sich Antiteilchen anders verhalten könnten als ihre Komponenten. Dennoch reicht die Verletzung nicht aus, um das Verschwinden aller Antimaterie zu erklären.

Weitere kuriose Hypothese

Viele Physiker beschäftigen sich mit der Frage, was mit der Antimaterie passiert ist, und in den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Hypothesen aufgestellt. Die vielleicht kurioseste wäre, dass eine Region des Raums von Materie und die andere von Antimaterie beherrscht wird. In diesem Fall würden wir uns in einer Region befinden, in der alles aus Materie besteht.

Diese Hypothese besagt jedoch, dass wir Regionen der Annihilation von Materie und Antimaterie beobachten sollten, die Gammastrahlen bilden. Bis heute wurde kein Ereignis dieser Art beobachtet, was darauf hindeutet, dass sie, falls sie existieren, sehr weit von uns entfernt sind. Eine andere Vermutung wäre, dass nur einige wenige weit entfernte und verstreute Cluster von Antimaterie im Universum existieren.