Antimaterie istMaterie, die ausAntiteilchen besteht. Anti-Atome habenAtomhüllen ausPositronen (Antielektronen) undAtomkerne ausAntiprotonen undAntineutronen.

Im weiteren Sinne bezeichnet man auch einzelne Antiteilchen als Antimaterie. Diese lassen sich experimentell erzeugen und kommen auch natürlich vor: Positronen entstehen beim radioaktivenBeta-Plus-Zerfall und bei Wechselwirkungen vonGammastrahlung mit Materie (Paarbildung). Zur Erzeugung von Antiprotonen und ‑neutronen benötigt man energiereicheTeilchenbeschleuniger; sie entstehen auch durchkosmische Strahlung in der oberen Erdatmosphäre.

Mit aufwändigen Experimenten kann man einfachste Anti-Atome erzeugen, indem man Positronen und Antiprotonen fast vollständig abbremst und zusammenführt. Dabei entstehenAntiwasserstoff-Atome. Bei Experimenten mit den größten Teilchenbeschleunigern hat man auch leichte Anti-Atomkerne (Antideuterium, Antihelium-3 und ‑4) nachgewiesen. Anti-Atome und Anti-Atomkerne kommen aber nicht natürlich vor. Es gibt Spekulationen, aber keinerlei Hinweise darauf, dass gewisse Bereiche im Universum aus Antimaterie bestehen könnten. Würde man schwerere Antiatomkerne in kosmischer Strahlung finden, wäre dies ein Hinweis aufNukleosynthese in Sternen aus Antimaterie.

Wenn ein Materieteilchen und sein Antiteilchen aufeinander treffen, können sie in einerAnnihilations-Reaktion „zerstrahlen“. Die in den Teilchen gemäß derÄquivalenz von Masse und Energie steckende Energie tritt dann in anderer Form wieder auf, als Gammastrahlung und/oder in Form anderer, leichterer Teilchen.

1898 verwendete der PhysikerArthur Schuster erstmals den Begriff Antimaterie in zwei Zuschriften anNature. Er spekulierte über Sternensysteme aus Antimaterie, die von unserer Materie durch Beobachtung nicht unterscheidbar wären. Schon vorher hattenKarl Pearson 1892 undWilliam Mitchinson Hicks in den 1880er Jahren von möglicher „negativer Materie“ gesprochen.^[1]

1928 stelltePaul Dirac auf Grundlage der Arbeit vonWolfgang Pauli dieDirac-Gleichung auf,^[2] eine relativistische, also auf derspeziellen Relativitätstheorie beruhendeWellengleichung 1. Ordnung zur Beschreibung desElektrons. Auf der Grundlage dieser Gleichung sagte Dirac die Existenz desPositrons als Antiteilchen zum Elektron voraus.

1932 wurde das Positron als erstes Antiteilchen vonCarl David Anderson in derkosmischen Strahlung nachgewiesen.^[3] AuchAntimyonen werden von der kosmischen Strahlung erzeugt, wenn sie in die Erdatmosphäre eindringt.

DasAntiproton wurde 1955 bei Experimenten amBevatron-Teilchenbeschleuniger nachgewiesen, und dasAntineutron 1956.

Eine Arbeitsgruppe unterWalter Oelert vomForschungszentrum Jülich wies 1995 als erste amLow Energy Antiproton Ring (LEAR) desCERN einigeAntiwasserstoff-Atome nach, also gebundene Systeme aus einem Antiproton und einem Positron.^[4] In den beiden folgenden Jahren wiederholten Forscher amFermilab in den USA das Experiment.

2010 wurden am CERN im ProjektALPHA 38 Antiwasserstoff-Atome nachgewiesen, die für 172 Millisekunden in einermagnetischen Falle eingefangen waren. Für eine spektroskopische Untersuchung werden jedoch deutlich größere Mengen benötigt.^[5][6] Am Nachfolgeexperiment ALPHA-2 gelang 2016 schließlich einelaserspektroskopische Untersuchung des 1s–2s-Übergangs. Wie vomCPT-Theorem vorhergesagt, stimmen die Spektrallinien von Wasserstoff und Antiwasserstoff mit einer Genauigkeit von 2 · 10⁻¹⁰ überein.^[7]

Im April 2011 gelang es am CERN, 309 Antiwasserstoffatome bei einer Temperatur von etwa einemKelvin fast 17 Minuten lang einzufangen, also 5800-mal so lang wie im November 2010.^[8][9] Dies wurde von den Forschern des CERN und Kommentatoren allgemein als bedeutender Durchbruch beurteilt, der neue Möglichkeiten eröffnet, die Eigenschaften von Antimaterie zu erforschen. Dabei geht es zum Beispiel um mögliche Verletzungen von Symmetrien in derTeilchenphysik. Dies betrifft die Frage, warum nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie entstand.

Der bislang schwerste beobachtete Antimaterie-Atomkern ist der amRelativistic Heavy Ion Collider erzeugte Antihyperwasserstoff-4 (den Anti-Hyperkern${\displaystyle \overline{{}_{\mathrm{\Lambda }}^4\mathrm{H}}}$),^[10] gefolgt vom ebenfalls dort im April 2011 erzeugten Anti-⁴He.^[11][12]

Eine rund fünfzigköpfige Gruppe um den AmerikanerJeffrey Hangst, Physikprofessor an derUniversität Aarhus in Dänemark, hat 2023 im Rahmen derAlpha-Kollaboration amCERN nachgewiesen, dass auch Antimaterie der Schwerkraft unterliegt, was zuvor empirisch offen war.^[13][14]

Die Vernichtung (Annihilation) setzt die bei der Paarbildung als Masse gespeicherteEnergie wieder frei. Bei der Elektron-Positron-Annihilation tritt diese alselektromagnetische Strahlung auf, im Fall schwerer Teilchen (Proton-Antiproton) teilweise auch in Form anderer Teilchen mit hoher Bewegungsenergie. Dabei wird die gesamteMasse des Teilchen-Antiteilchen-Paares umgesetzt und nicht nur, wie beiKernspaltung undKernfusion, ein kleiner Bruchteil (sieheMassendefekt). Die Annihilation einer gegebenen Masse bestehend je zur Hälfte aus Materie und aus Antimaterie würde reichlich hundert Mal mehr Energie freisetzen als die Reaktion einer gleich großen Masse von Fusionsreaktor-Brennstoff. Beispielsweise würde die Annihilation eines Wasserstoffatoms mit einem Anti-Wasserstoffatom die Energie 1,88GeV liefern; die Fusion einesDeuteriumkerns mit einemTritiumkern liefert dagegen nur 17,6 MeV, also etwa ein Hundertstel.

Wegen dieser hohen Energiedichte ist über Nutzungen von Antimaterie (in Form von Positronen) für Waffenzwecke nachgedacht worden.^[15] In der Raumfahrt wurde mehrfach über den möglichen Nutzen fürAntriebssysteme diskutiert.^[16][17] Wissenschaftler an derPennsylvania State University untersuchten in den ProjektenAIMStar undICAN-II in den 1990er Jahren theoretische Konzepte.^[18][19] Bislang gibt es jedoch kein realistisches Konzept, wie für solche technischen Zwecke genügende Mengen von Antimaterie hergestellt, gelagert und transportiert werden könnten. Am CERN wird für das Jahr 2023 ein Antimaterie-Transport per LKW über eine Distanz von einigen hundert Metern geplant.^[20][21]

Eine Energie-Ressource kann Antimaterie niemals sein, denn in nutzbarer Form kommt sie im Universum nicht vor, und ihre künstliche Herstellung erfordert mindestens die Energie, die aus ihr wieder gewonnen werden könnte.

Die bisherigen Experimente und Theorien ergeben weitgehend identisches Verhalten von Materie und Antimaterie (sieheCP-Verletzung). Demnach sind nach dem heißen und dichten Anfangszustand desUniversums, demUrknall, Materie und Antimaterie in näherungsweise gleichen Mengen entstanden und kurz darauf wieder durch gegenseitige Vernichtung „zerstrahlt“ worden.^[22]

Andererseits zeigen aber alle bisherigen Beobachtungen im Kosmos nur die „normale“ Materie.^[23] Sie muss das Überbleibsel eines geringen Ungleichgewichts zu Beginn des Universums sein. Frühere Vermutungen, dass das Universum in einigen Bereichen mit Materie, in anderen mit Antimaterie gefüllt sei, gelten heute als unwahrscheinlich. Es wurde bislang keine Annihilationsstrahlung, die an den Grenzgebieten entstehen sollte, nachgewiesen. Die direkte Suche nach Anti-Helium-Atomkernen in derkosmischen Strahlung, die 1998 mit einemAlpha-Magnet-Spektrometer an Bord einesSpace Shuttle erfolgte, blieb ergebnislos: es wurden etwa drei Millionen Heliumkerne nachgewiesen, darunter befand sich aber kein einziger Antikern.^[24]

Der Vergleich von Modellrechnungen im Rahmen der Urknalltheorie und astronomischen Messdaten (primordiale Nukleosynthese,WMAP) spricht dafür, dass das Verhältnis von Materie und Antimaterie anfangs fast 1 zu 1 war. Ein winziges Ungleichgewicht – etwa 1 Teilchen Überschuss auf 1 Milliarde Teilchen-Antiteilchen-Paare – bewirkte, dass ein Rest an Materie übrig blieb, der in unserem heutigen Universum feststellbar ist. Dieses Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie ist eine der Voraussetzungen für die Stabilität des Universums und somit auch für das Leben auf der Erde. Bei genauem Gleichgewicht wären Materie und Antimaterie im Verlauf der Abkühlung des Universums vollständig in Strahlung umgewandelt worden.

Der Grund für dieses Ungleichgewicht ist eines der großen Rätsel derElementarteilchenphysik undKosmologie; es wird vermutet, dass erst vereinheitlichende Theorien (beispielsweiseStringtheorie,M-Theorie,Supersymmetrie) diese ungleiche Verteilung zufriedenstellend erklären werden. Eine der Voraussetzungen für ein Übergewicht von Materie ist dieCP-Verletzung (sieheBaryogenese). Diese wurde zuerst beiKaonen in den 1960er Jahren entdeckt. In den 1990er Jahren wurden amSLAC in den USA 200 MillionenB-Meson-Anti-B-Meson-Paare erzeugt und untersucht, wie diese wieder zerfallen. Bei der Auswertung wurde festgestellt, dass die B-Mesonen etwa zweimal seltener in einPion und ein Kaon zerfallen als ihre Antiteilchen. Beim vorher untersuchten Kaonensystem lag der Unterschied bei vier zu einer Million.

Antimaterie kommt in vielen Romanen und Filmen vor, wo ihre physikalischen Eigenschaften von den wirklichen abweichen können. In der Welt vonStar Trek dient eine Materie-Antimaterie-Reaktion als Energiequelle für den fiktivenWarp-Antrieb zur Erzeugung einer Warpblase und auch als Waffe. In derHeftromanseriePerry Rhodan wird Antimaterie vielfältig benutzt, etwa umGravitations-Schockwellen abzustrahlen und so eine Nachricht zu übermitteln, vor allem aber als Basis für fortgeschrittene Waffensysteme und zur Energieerzeugung. Im RomanIlluminati vonDan Brown haben fiktive Wissenschaftler des CERN sichtbare Mengen der Substanz hergestellt und längerfristig in einer Magnetfalle gelagert.

• Alban Kellerbauer:Antimaterie im Labor. In:Physik Journal. 13 (Juli 2014) 27,Physik Journal – Antimaterie im Labor – pro-physik.de
  Direkter Download vom Autor:Artikel (PDF; 1,2 MB).
• Alban Kellerbauer:Das Antimaterie-Rätsel. In:Physik in Unserer Zeit. 43 (Juli 2012) 174.doi:10.1002/piuz.201201305
  Direkter Download vom Autor:Artikel (PDF; 803 kB).
• Helen R. Quinn, Yossi Nir:The mystery of the missing antimatter. Princeton Univ. Press, Princeton 2008,ISBN 978-0-691-13309-6.
• Alban Kellerbauer:Antimaterie – Spiegelbild oder Zerrbild. In:Physik in Unserer Zeit. 38 (Juli 2007) 168,doi:10.1002/piuz.200601134
  Direkter Download vom Autor:Artikel (PDF; 536 kB),zus. Kapitel (PDF; 45 kB).
• Dieter Grzonka,Walter Oelert, Jochen Walz:Experimente mit der „Antiwelt“. In:Physik Journal. 5 Nr. 3 (März 2006) 37,(PDF; 0,9 MB)
• Dieter B. Herrmann:Antimaterie. Auf der Suche nach der Gegenwelt. 4. Auflage. Beck, München 2009,ISBN 978-3-406-44504-0.
• Gordon Fraser:Antimatter – the ultimate mirror. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2002,ISBN 0-521-89309-7.
• Hannes Alfvén:Kosmologie und Antimaterie. Umschau-Verlag, Frankfurt am Main 1969
• Frank Close:Antimaterie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2010,ISBN 978-3-8274-2531-7.
• Kapitel:Materie/Antimaterie-Antrieb. In:Eugen Reichl:Typenkompass: Zukunftsprojekte der Raumfahrt, Motorbuch Verlag, Stuttgart 2012,ISBN 978-3-613-03462-4, S. 37–41

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Wiktionary: Antimaterie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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• Satellit entdeckt Antimaterie über Gewitterwolken (Pressemitteilung desMax-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik)

1. ↑S. Sahoo, R. K. Agrawalla, M. Goswami:Antimatter in the Universe. (Memento vom 30. Juni 2007 imInternet Archive) (PDF; 72 kB)
2. ↑P. A. M. Dirac:The quantum theory of the electron. In:Proceedings of the Royal Society. Bd. 117, 1928, S. 610, Bd. 118, S. 351.
3. ↑Edward Robert Harrison:Cosmology: the science of the universe. 2. Auflage. Cambridge University Press, 2000,ISBN 0-521-66148-X, S. 266, 433. (online in der Google-Buchsuche, abgerufen am 30. September 2009)
4. ↑Beschreibung des Experiments
5. ↑G. B. Andresen u. a.:Trapped antihydrogen. In:Nature. 17. November 2010.doi:10.1038/nature09610 (englisch)
6. ↑Speicher für Antimaterie. bei:heise online. vom 18. November 2010.
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11. ↑Nina Weber: Forscher erzeugen Rekord-Antimaterie. Teilchenphysik-Durchbruch. In: Spiegel Online. 24. April 2011, abgerufen am 25. April 2011. 
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13. ↑Ulf von Rauchhaupt,Gravitation: Auch Antimaterie fällt nach unten, faz.net vom 27. September 2023
14. ↑Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter, Nature 621, 716–722 (2023) vom 27. September 2023
15. ↑Keay Davidson:Air Force pursuing antimatter weapons / Program was touted publicly, then came official gag order. (Memento vom 9. Juni 2012 imInternet Archive) In:San Francisco Chronicle. 4. Oktober 2004. (englisch)
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20. ↑The PUMA project: Antimatter goes nomad. Abgerufen am 8. Juni 2021 (englisch). 
21. ↑PUMA. 23. März 2023, abgerufen am 19. Mai 2023 (englisch). 
22. ↑Kellenbauer:Antimaterie im Labor. Physik Journal,S. 27 (pro-physik.de). 
23. ↑L. Canetti:Matter and Antimatter in the Universe. In:New J. Phys. 14. Jahrgang,Nr. 9, 2012,S. 095012,doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012,arxiv:1204.4186,bibcode:2012NJPh...14i5012C. 
24. ↑J. Alcaraz, D. Alvisi, B. Alpat, G. Ambrosi, H. Anderhub:Search for antihelium in cosmic rays. In:Physics Letters B.Band 461,Nr. 4, September 1999,S. 387–396,doi:10.1016/S0370-2693(99)00874-6 (elsevier.com [abgerufen am 11. Mai 2020]). 

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