Materie und Antimaterie

[Skeltek]

...und der antimateriehaufen sich auch noch zufällig unserer sichtbarkeit entzieht.

Zufaellig? Du kannst mit Hubble Teleskop gerade mal ein paar Lichtjahre weit sehen durch die Rotverschiebung. Erwartest du wirklich, dass du gerade ausgerechnet in diesem winzigen Abschnitt des Universums Antimaterie sein soll? Waere in meinen Augen schon grosser Zufall...

Ich fand tomS Beitrag auch nicht schlecht und hab hier interessiert mitgelesen, aber wenn er meint...
das ueberlegen kommt in meinen Augen vor dem Rechnen. Immerhin muss man ein Gebilde im Kopf haben, bevor man es mathematisch korrekt formuliert und dann ueberprueft.

Theoretisch koennte man sogar behaupten, dass unser Galaxiencluster gerade auf ein 10^50000 kg grosse Antimateriesingularitaet zufliegt, die wir aber aufgrund der Distanz von 10^51000 m Entfernung und die Rotverschiebung noch nicht sehen koennen. Durch unterschiedliche Beschleunigung und Laengenkontraktion koennte man sogar das auseinander gerissen werden der Galaxien erklaeren(blabla, ich weiss dass die Theorie schon beim schief angucken zusammen bricht).

Was ich damit sagen kann ist: Die meisten Dinge im Universum schliessen sich zu Clustern zusammen. Wie gross Areale von Antimateriegalaxien im Durchschnitt waeren und wie weit der naechste Haufen sein soll kann keiner genau sagen. Was hinter unserem Sichtfeld ist, koennen wir einfach nicht erfahren, egal wie sehr wir uns anstrengen.
Normale Materie hat sich waehrend dem Urknall in unserem Universum schon so ungleichmaessig verteilt, wieso sollte sich Antimaterie gerade in den gleichen Arealen verteilt haben(Man stelle sich vor, jede zweite Galaxie/jeder zweite Planet wuerde aus Antimaterie bestehen/ bzw jedes zweite Atom)? Und selbst wenn es so gewesen waere, wurde der Grossteil an sich ueberschneidenden Arealen imho bereits waehren dem Urknall ausgeloescht.

Grusse, Skel

[AlTheKingBundy]

da liegst du aber mächtig falsch, dass wir nur ein paar lichtjahre in die vergangenheit sehen können

[Maclane]

Nagut, also wenn wir hier eine große Spekulationsrunde machen, dann spekulier ich mal mit.

Hat man eigentlich die Verteilung von Materie schonmal genau bestimmt? Ich meine jetzt nicht die räumliche Verteilung sondern den jeweiligen Anteil von Protonen, Neutronen, Elektronen, Neutrinos, usw. an der Gesamtheit der Materie im Universum heute. Müsste ja eigentlich mal jemand gemacht haben, um bei der Inflationstheorie sagen zu können, wann die Protonen entstanden sind und wann die Elektronen usw. - oder?
Und kann könnte man sich doch überlegen, was wäre, wenn z.B. Anti-Protonen im Gegensatz zu Protonen nach 10^32 Jahren oder schneller zerfallen würden. Wir haben ja nie eine genügend große Menge Anti-Protonen zusammenbekommen, um diesen Effekt ausschließen zu können und hätten somit schon ein weiteres Ungleichgewicht.
Okay, müssen vielleicht nicht grad die Protonen sein, gibt ja noch andere Teilchen, die im Prinzip zerfallen könnten.

Oder was wäre, wenn ein Positron leichter in ein Anti-Proton "hineinfallen" könnte, um ein (Anti-)Neutron zu bilden als bei Elektron und Proton? In der Frühphase war das Universum doch immer noch sehr dicht, oder? Ob dicht genug wie bei einem Neutronenstern z.B., weiß ich allerdings nicht.

Naja however, ich bin jedenfalls der Meinung, dass der Grund für das Fehlen von Anti-Materie ein quantenmechanischer Grund sein muss und kein Grund von räumlicher Verteilung.
Aber gelernte Quantenmechaniker haben sicher bessere Ideen als ich.

ich kann ja noch etwas spekulationsfeuer entfachen. vielleicht kam es unmittelbar zu beginn des urknalls zu einer abspaltung eines antimaterieuniversums, welches sozusagen als paralleluniversum neben dem unseren existiert aber aufgrund einer anderen raum-zeit-struktur unzugänglich ist (ich fange schon an wie die stringser zu argumentieren)

Ich bin schockiert!

Gruß Mac

[tomS]

Also erst mal ein Paar Fakten zur gängigen Inflationstheorie:
- Beginn ca. nach 10^-43 bis 10^-35 sec. nach dem Urknall;
- Dauer ca. 10^-33 bis 10^-30 sec.;
- Ausdehung danach einige Meter
(alles nach Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Inflation% ... _Universum)

Zur CP-Verletzung: Man hat diese Effekte an K°- und an B-Mesonen gemessen; bei K°-Mesonen ist die Lebensdauer zwischen Teilchen und Antiteilchen ca. einen Faktor 1000 unterschiedlich.

Zu ähnlichen Effekten beim Protonenzerfall: Man hat den Protonenzerfall aufgrund der Überprüfung von großen vereinheitlichten Theorien [Standardmodell U(1)*SU(2) * SU(3) => GUT SU(5) oder SO(1) oder E(6)] untersucht. Im Rahmen des Standardmodells sind Proton und Antiproton stabil, im Rahmen der GUTs werden Lebensdauern von 10^31 - 10^36 Jahren voraussgesagt. Soweit ich weiß, kann man diese GUTs heute ausschließen, da eben der vorhergesagte Protonenzerfall nicht nachgewiesen wurde (bzw. eben die Lebensdauzer > 10^36 Jahre sein müsste, um mit den Experimenten verträglich zu sein).

Ich kann mir nun nicht vorstellen, dass bei einer Lebensdauer von > 10^36 Jahren (!!!) eine mögliche Asymmetrie tatsächlich zu messbaren Effekten bzgl. Materie-Antimaterie Asymmetrie führen sollte.

Grundsätzlich ist das Problem, dass die uns umgebende Materie von der starken Kraft sowie von der elektromagnetischen Wechselwirkung zusammengehalten wird - und diese ist CP-invariant. Lediglich die Zerfälle, die durch die schwache Wechselwirkung vermittelt werden, zeigen die CP-Verletzung. Damit ist deren Beitrag immer um Größenordnungen schwächer.

Daher überhaupt meine Spekulation, dass eben die bekannten CP-verletzenden Effekte nicht ausreichen, um die beobachtete Asymmetrie zu erklären.

[SNOOPY]

Hallo Forum,

ich habe mal irgendwo gelesen, dass die Trennung von Materie und Antimaterie im frühen Universum eventuell durch etwas ähnliches, wie den sogenannten Leidenfrost-Effekt hervorgerufen worden sein könnte (das in der Effekt, der einen Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte tanzen läßt). Mir erschien das eigentlich sehr logisch. Leider habe ich darüber seitdem nichts mehr gehört. Ist es denn wirklich absolut sicher, dass es im Universum keine großen Mengen von Antimatierie mehr gibt? Und wenn ja, wie stellt man das fest? Schließlich können wir doch durch Beobachtung Materie und Atimaterie gar nicht voneinander unterscheiden. Und der oben genannte Effekt könnte doch tatsächlich zu einer großräumigen Trennung von Materie und Antimaterie geführt haben! Vielleicht wäre das eine Erklärung für die gigantischen Leer-Räume im Universum, die man erst küzlich entdeckt hat und für die es keine plausible Erklärung gibt. Und wenn Materie und Antimaterie so weit von einander getrennt ist, könnte man natürlich auch keine Begegnungs-Effekte beobachten.

Und wenn es wirklich sicher ist, dass es im Universum keine großen Mengen von Antimaterie gibt, da habe ich gleich noch eine weitere Frage: wie kann man sich so sicher sein, dass im frühen Universum ein Ungleichgewicht von Materie zu Antimaterie von 10^9 zu 10^9+1 geherrscht haben muß? Dazu müßte man doch die Gesamtmenge der Materie/Antimaterie im frühen Universum kennen! Wie aber sollte das bekannt sein? Schließlich ist doch heute nicht mal die Gesamtmenge der noch vorhandenen Materie auch nur annährend bekannt (wohlgemerkt die des gesamten Universums, also nicht nur des sichbaren Teils).

Wahrscheinlich sind die Fragen von einem Experten leicht beantwortbar. Ich konnte jedoch keinen Hinweis darauf in WIKI finden.


Gruß
Snoopy

[gravi]

Siehst Du Tom, das Thema zu beschließen war etwas voreilig: jetzt wird's richtig spannend!

Bevor ich mich aber wieder rein hänge nur zu Snoopys Frage (schön, dass Du uns wieder liest ), woher man weiß, wie einmal das Verhältnis von Materie zu Antimaterie gewesen war.

Du kennst ja die Hintergrundstrahlung. Und genau die erzählt uns das. Man kann nämlich zählen, wie viele Photonen es von ihr im , im oder gibt (man sieht, Mimetex geht ). Schließlich ist sie völlig gleichmäßig im All verteilt. Und die Photonen des CMB sind nun das, was von der Paarvernichtung übrig geblieben ist.
Somit kann man zurück rechnen.

Gruß
gravi

[tomS]

Also die Idee mit dem Leidenfrost-EFfekt ist spannen; ich verstehe nicht, was da auf was tanzen soll und was heiß ist - nbaer das wird uns Snoopy sicher erklären :-)

Woher man weiß, dass es keine großräumigen Ansammlungen von Antimaterie gibt, habe ich weiter oben schon beschrieben. Wenn es sie gäbe, müsste man eine charakteristische Strahlung (bei Elektronen wären das Gammaquanten mit 511 keV = Ruhemase des Elektrons) wahrnehmen - tut man aber nicht. Daraus kann man folgern, dass zumindest im sichtbaren Bereich des Universums keine Antimaterie uns bekannter Art existiert.

Für die Galaxienverteilung gibt es meines Wissens nach ganz gute Computersimulationen, ich weiß aber nicht, auf welchen Skalen welche Effekte Berücksichtigung finden und wo evtl. noch Lücken existieren.

Und dann noch danke an Gravi für die Erklärung, auf Grundlage der Zahl der Photonen.

[Skeltek]

Leidenfrost Effekt, hmm. Soll das also heissen, dass benachbarte oder sich beruehrende pockets von Materie und Antimaterie soviel Energie zwischen sich frei setzen, dass sie bereits im sehr fruehen Stadium auseinander getrieben wurden?

Auf die Gefahr hin, dass ich das falsch verstanden hab mit dem Leidenfrost:
Dass Areale bzw Antimaterieeinschluesse in dem Brei(das Wort gefiel mir ^^) waehrend dem Urknall von normaler Materie dadurch weg getrieben wuerden waere denke ich erklaerbar, aber wie kam es zu einer unterschiedlichen Positionierung groesserer Haufen ueberhaupt erstmal?

Das wuerde denke ich ohnehin erstmal vorraussetzen, dass es einige Kubikmeter gab, in denen das Mischungsverhaeltniss nicht 1:1 war?

[SNOOPY]

Hm...als ich den Leidenfrost-EFfekt erwähnte, meinte ich ja auch nur "etwas ähnliches". Ich stelle mir nur vor, dass bei der Zertrahlung von Materie und Antimaterie doch große Kräfte (bzw. Energien) wirksam werden, die dazu führen könnten, dass Materie und Antimaterie auseinander strebt. Ich gebe allerdings zu, dass das voraussetzen würde (wie Skaltek schon bemerkte), dass es größere Ansammlungen von Materie- und Antimaterieklumpen gibt bzw. gab. Da das aber wahrscheinlich nicht zu trifft, wird es wohl auch nicht so gewesen sein.
War ja nur so eine Idee von mir, weil ich mir nicht erklären kann, wie man mit absoluter Sicherheit ausschließen kann, dass es im Univerwsum nicht größere Ansammlungen von Antimaterie geben könnte. Wenn sie weit genug von Materie-Ansammlungen entfernt wäre, könnte man ja schließlich auch keine Reaktion von beiden beobachten. Große Leer-Räume gibt es ja im Universum, Räume in denen also so gut wie keine Materie vorhanden ist. Oder habe ich das mit der Strahlung (Gammaquanten mit 511 keV) falsch verstanden? Sie tritt doch nur bei der Berührung von Materie und Antimaterie auf?

Nicht dass man mich falsch versteht: ich will nicht beweisen, dass es doch Antimaterie im Universum gibt, ich will nur verstehen, warum es nicht geben kann!

Gruß
Snoopy

[Skeltek]

Ich gebe allerdings zu, dass das voraussetzen würde (wie Skeltek schon bemerkte), dass es größere Ansammlungen von Materie- und Antimaterieklumpen gibt bzw. gab. Da das aber wahrscheinlich nicht zu trifft, wird es wohl auch nicht so gewesen sein.

Hmm, das ist die Frage ja schlechthin. wieso eigentlich nicht? Wenn das Universum vor dem Urknall ein homogenes Super-Etwas/Nichts war, wo kam dann die erste Assymetrie/Inhomogenitaet ueberhaupt das erste mal ins Spiel? Anscheinend hat das jetzige Universum ja nicht ueberall die gleiche Dichte. Wir wissen ja ca, wie sich Einstein Bose Kondensate verhalten. Jedes Teilchen darin kann man ueberall gleichzeitig antreffen, man braucht es nur raus zu fischen an irgend einer Stelle.

Wenn beim Urknall sowohl Materie als auch Antimaterie sich aus dem Super`kondensat`(Wortwahl falsch, aber ich denke man weiss worauf ich hinaus will) bildeten, koennte die Bildung auch nur eines einzelnen normalen Materieteilchen die Generierung eines grossen Teils der restlichen normalen Materie in unmittelbarer Umgebung oder aehnlicher Positionierung verursacht haben. So wuerde eine Clusterung von Materie derselben Art sogar eher wahrscheinlich wirken als eine relativ homogene Verteilung im gesammten Weltall.

Viele Grusse, Skel


ps: Das zweite was mir zu dem Thema `nicht invariant` einfiel war, dass man heutzutage ja vielleicht versucht aus den falschen `Dingen` die Antimaterie herzustellen. Wenn ich linksdrehende Milchsaeuren und rechtsdrehende vergleiche, schliesse ich von dem materielen Wesen von rechtsdrehenden Milchsaeuren ja auch nicht darauf, dass es sich bei den linksdrehenden um welche aus Antimaterie handeln muesste...
Vermutlich divergiert die Lebensdauer von unserer `Pseudo`-Anitmaterie ja deshalb so stark von normaler Materie, weil es nunmal keine echte Antimaterie ist. Nur mal so als Idee...

[SNOOPY]

Hallo Saltek,

durch Deine Antwort bin ich etwas ins Schleudern geraten. Mir wurde klar, dass ich eigentlich gar nicht genau weiss, wie Antimaterie eigentlich definiert ist. Ich weiss nur, dass ein Anti-Prioton negative Ladung hat, ein Anti-Elektron positive. Aber was ist mit einem Anti-Neutron? Gibt es das überhaupt?
Ich frage mich, ob Antimaterie nicht in allen Dingen gegensätzlich zu Materie sein müßte. Das kann aber nicht stimmen, denn sonst müßte ja Antimaterie auch negative Gravitationswirkung haben. Was übrigens ein interessanter Aspekt wäre (z.B. in Bezug auf die beschleunigte Expansion des Universums). Kann man so etwas überhaupt überprüfen? Ich denke mal, bei den paar künstlich erzeugten Teilchen dürfte das kaum möglich sein!

Gruß
Snoopy

[Skeltek]

Mir wurde klar, dass ich eigentlich gar nicht genau weiss, wie Antimaterie eigentlich definiert ist. Ich weiss nur, dass ein Anti-Prioton negative Ladung hat, ein Anti-Elektron positive. Aber was ist mit einem Anti-Neutron? Gibt es das überhaupt?

Sorry, falls du meinetwegen ins `Schleudern` geraten bist. Bin aber auch nur jemand der mitspekuliert.
Hab mich ein paar Stunden angelesen und die gefundenen Quellen sagen allerlei unterschiedliches.
Einige der Quellen aber sagen folgendes:
Bei der Herstellung von Positronen zum Beispiel, wird durch Beschuss eines Atomkerns mit Photonen/Atomkernen ein Teilchenpaar(Elektron und Positron) heraus geschlagen(Die Wortwahl war geringfuegig anders, dort stand `erzeugt`).
Man hat also aus reiner Energie ein Teilchen und sein Spiegelbild hergestellt*
Dadurch, dass die Teilchen dieselbe Masse, Spin usw aber unterschiedliche elektrische Ladung haben, nimmt man an, dass es sich bei einem der beiden um das exakte `Spiegelbild` des anderen handelt.(stark vereinfacht ausgedrueckt)

Spaeter fand man jedoch heraus, dass sich die Teilchen nicht nur durch ihre Ladung, sondern auch durch andere Aspekte wie z.B. ihre Langlebigkeit unterscheiden.

Nach dem was ich damals in der Schule gelernt hatte, bestehen Atomkerne aus irrsinnig vielen Positronen und Elektronen. Der Kern ist deshalb positiv, weil im Atomkern von Wasserstoff z.B. ein Positron mehr als Elektronen vorhanden sind.(Wieso annihilieren sich die bloeden Dinger nicht gleich im Kern?)
Wie man jetzt aber aus den Positronen und Elektronen wieder ein Atomkern/Antiteilchen zusammen setzt ohne dass sie sich dabei annihilieren ist mir unbekannt. Vermutlich kann das ja einer der anderen, die sich in der Materie viel besser auskennen, beantworten.

Einige andere Quellen behaupten andererseits, um `echte` Antimaterie herzustellen, wuerde man negative Energie benoetigen und so ein Quatsch.(Wenn es negative Energie gaebe, was wuerde die dann bei Kontakt mit positiver Energie schon gross anstellen? Da wuerde sich die Energie ja der eigenen Definition(Faehigkeit, Arbeit zu verrichten) den Kopf anhacken). Ich werd demnachest mal mein Arbeitgeber fragen, ob es auch fuer negative Arbeit Lohn gibt ^^

Andere Quellen hingegen `behaupten`, dass bei Kontakt von normaler mit Antimateriehaufen, die Teilchen ja lediglich wieder in ein Elektron-Positron Gemisch zerfallen wuerden und dabei Energie abstrahlen, die in der Wolke groesstenteils haengen bliebe. Ist alles erstmal abgestrahlt an Energie, kann die Restmenge des Gemisches Teilchen bilden oder sich zu Sternen zusammen ballen. <- halt ich persoenlich fuer recht fragwuerdig.

Unterm Strich bleibt fuer mich jedenfalls die Frage zu klaeren, unter welchen Vorraussetzungen, sich Teilchen und ihre Antiteilchen nicht gegenseitig annihilieren. Wie kann das CERN z.B. Antiteilchen aus Positronen und Elektronen zusammen setzen? Dafuer waeren nicht unwesentlich viele notwendig...
Was ich mir auch noch vorstellen koennte waere, dass sie in Wirklichkeit einfach nur einen Wasserstoffkern mit so vielen Elektronen beballern, bis er irgendwann mal positiv ist und sich dann wundern, wieso ihr negativ geladenes Wasserstoffteilchen strukturelle Instabilitaet aufweist; obwohl es ja von Grundauf genau `spiegelbildlich` zu einem positiv geladenen Atomkern ist...

Naja, ich hab wohl mehr naive Fragen und Ideen rein gestreut als beantwortet, aber ich denke genau dafuer is a ein Forum genau da ; )

Viele Grusse, Skel

[Maclane]

@SNOOPY
Na zitieren wir doch mal Wikipedia:

Das Konzept der Antiteilchen ergibt sich aus der Quantenphysik, genauer aus der Quantenfeldtheorie. Darin existiert aus Symmetriegründen zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen, welches in seinen additiven Quantenzahlen, wie Ladung (elektrische Ladung, Farbladung, schwache Ladung), magnetisches Moment, Baryonenzahl, Leptonenzahl usw. dem Teilchen entgegengesetzt ist. Die nichtadditiven Quantenzahlen, wie z. B. der Spin sind hingegen, ebenso wie die Masse, die Lebensdauer, usw. identisch.

Sind sämtliche additiven Quantenzahlen eines Teilchens Null, so ist das Teilchen sein eigenes Antiteilchen. Dies ist beim Photon und dem neutralen Pion der Fall.

@Skeltek
Was ist denn Pseudo-Antimaterie?

Und wie soll das hier funktionieren?

Wenn beim Urknall sowohl Materie als auch Antimaterie sich aus dem Super`kondensat`(Wortwahl falsch, aber ich denke man weiss worauf ich hinaus will) bildeten, koennte die Bildung auch nur eines einzelnen normalen Materieteilchen die Generierung eines grossen Teils der restlichen normalen Materie in unmittelbarer Umgebung oder aehnlicher Positionierung verursacht haben.

Meines bescheidenen Wissens nach entstehen doch die Antiteilchen bei zwei Dingen - einmal bei Zerfallsprozessen von schwereren Teilchen in leichtere Teilchen und zum anderen bei der bekannten Paarbildung.
Warum sollte denn das Ergebnis von Zerfällen davon abhängen, welche Teilchen sich drumherum befinden? Verantwortlich für Zerfälle ist doch afaik die schwache Kernkraft und die hat nur eine ganz kurze Reichweite.

Erklär mal genauer, dann weiß ich vielleicht, was du meinst.

Edit:

...Nach dem was ich damals in der Schule gelernt hatte, bestehen Atomkerne aus irrsinnig vielen Positronen und Elektronen. Der Kern ist deshalb positiv, weil im Atomkern von Wasserstoff z.B. ein Positron mehr als Elektronen vorhanden sind...

What the hell???


Gruß Mac

[Skeltek]

Und wie soll das hier funktionieren?

Wenn beim Urknall sowohl Materie als auch Antimaterie sich aus dem Super`kondensat`(Wortwahl falsch, aber ich denke man weiss worauf ich hinaus will) bildeten, koennte die Bildung auch nur eines einzelnen normalen Materieteilchen die Generierung eines grossen Teils der restlichen normalen Materie in unmittelbarer Umgebung oder aehnlicher Positionierung verursacht haben.

Meines bescheidenen Wissens nach entstehen doch die Antiteilchen bei zwei Dingen - einmal bei Zerfallsprozessen von schwereren Teilchen in leichtere Teilchen und zum anderen bei der bekannten Paarbildung.
Warum sollte denn das Ergebnis von Zerfällen davon abhängen, welche Teilchen sich drumherum befinden? Verantwortlich für Zerfälle ist doch afaik die schwache Kernkraft und die hat nur eine ganz kurze Reichweite.

Erklär mal genauer, dann weiß ich vielleicht, was du meinst.

Edit:

...Nach dem was ich damals in der Schule gelernt hatte, bestehen Atomkerne aus irrsinnig vielen Positronen und Elektronen. Der Kern ist deshalb positiv, weil im Atomkern von Wasserstoff z.B. ein Positron mehr als Elektronen vorhanden sind...

What the hell???


Gruß Mac

zu 1: Hatte mich unklar ausgedrueckt, mit Antiteilchen meinte ich in dem Satz eigentlich die Bildung von Wasserstoff/Helium statt deren Antiteilchen vor der primordialen Nukeosynthesephase.
Es waere ja moeglich gewesen, dass sich statt Wasserstoff negativ geladene Kerne mit positiven Orbitanden gebildet haetten. Vielleicht ist das ja fuer Bereiche im Universum der Fall. Der Zustand des Universums `lange` vor der Nukleosynthese und wie dieser zu der ungleichmaessigen Verteilung groesserer Materiehaufen fuehrte war ja gerade die Frage, auf die ich eine Antwort zu finden hoffe.

zu 2: Ja, Tatsache, das haben uns all unsere Lehrer immer wieder eingeblaeut. Protonen bestehen aus Positronen und Elektronen.


ps: Falls ich zu viel schreibe muesst ihr es sagen. Wenn ich die erste Seite des Threads mit dieser hier vergleiche, krieg ich irgendwie das schlechte Gefuehl ich wuerde ne fachlich qualitative Diskussion auf mein Niveau herunterziehen

[Maclane]

zu 1: Hatte mich unklar ausgedrueckt, mit Antiteilchen meinte ich in dem Satz eigentlich die Bildung von Wasserstoff/Helium statt deren Antiteilchen vor der primordialen Nukeosynthesephase.
Es waere ja moeglich gewesen, dass sich statt Wasserstoff negativ geladene Kerne mit positiven Orbitanden gebildet haetten. Vielleicht ist das ja fuer Bereiche im Universum der Fall. Der Zustand des Universums `lange` vor der Nukleosynthese und wie dieser zu der ungleichmaessigen Verteilung groesserer Materiehaufen fuehrte war ja gerade die Frage, auf die ich eine Antwort zu finden hoffe.

In einer Phase, wo das Universum dicht genug und heiß genug gewesen ist, um aus Wasserstoff Helium zu machen, war es doch mit Sicherheit auch dicht genug, um Materie und Antimaterie miteinander reagieren zu lassen. Eine räumliche Trennung hätte also schon vorher erfolgen müssen.
Und ich sehe irgendwie nicht, wie so eine räumliche Trennung hätte erfolgen können - gerade auch, weil das Universum so dicht und so heiß war.

zu 2: Ja, Tatsache, das haben uns all unsere Lehrer immer wieder eingeblaeut. Protonen bestehen aus Positronen und Elektronen.

Herr im Himmel! Das war dann wohl der Sportlehrer als Vertretung.

Protonen bestehen aus drei Quarks (2x Up, 1x Down). Neutronen bestehen auch aus drei Quarks (2x Down, 1x Up). Protonen und Neutronen bauen den Atomkern auf. In der Atomhülle sind die Elektronen. Wenn Protonen und Elektronen die gleiche Anzahl haben, ist das Atom elektrisch neutral.
Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen, sprich sie haben die gleichen Eigenschaften(Masse, Spin, usw.), sind halt nur positiv geladen. Positronen haben wie Elektronen im Atomkern nichts zu suchen. Sie könnten aber im Prinzip z.B. um ein Anti-Proton herumsausen und so Anti-Wasserstoff bilden. Schwerere Elemente gingen natürlich auch, aber ich bezweifle, dass es die Antimaterie so weit gebracht hat.

Achja Nachtrag: Der Kern eines Wasserstoff-Atoms, also das Proton, ist deshalb positiv geladen, weil die Quarks die Ladung -1/3 bzw. +2/3 haben: 2/3 +2/3 -1/3 = 1. Für Neutronen natürlich analog 2/3 -1/3 -1/3 = 0. Elektronen und Positronen tragen sowieso die Ladung +1 bzw. -1.

Gruß Mac

[tomS]

Also um hier etwas die Aufregung rauszunehmen: Antimaterie ist etwas völlig normales!

Antimateie wurd zuerst von Dirac vorausgesagt: seine Gleichung ergab zwei Lösungen - eine war das bekannte Elektron, die zweite ein Teilchen, das sich wie dessen "Spiegelbild" verhielt. Dieses Positron wurde nach einigen Jahren tatsächlich nachgewiesen. Es ist identisch zum Elektron, mit Ausnahme der Tatsache, dass es positive Ladung trägt. Elektron und Positron vernichten sich in zwei Gamma-Quanten.

Andere Leptonen (Myon, Tau) haben ebenfalls ein entsprechendes Antiteilchen. Bei Neutrinos besteht die Möglichkeit, dass sie "ihr eigenens Anttiteilchen" sind - es handelt sich dann um sogenannte Majorana-Neutrinos. Soweit ich weiß, kann man das nicht ausschließen.

Quarks haben auch jeweils ein entsprechendes Antiquark; aus einem Quarks-Antiquark Paar bestehende (relativ kurzlebige) Teilchen heißen Mesonen - die bekanntesten sind die Pionen. Aus drei Antiquarks bestehende Teilchen sind dann die Antiteilchen zu den Baryonen, z.B. Antiproton, Antineutron usw.

Zu Gluonen gibt es ebenfalls Antiteilchen. Genaus wie die Gluonen sind sie elektrisch neutral und nicht direkt sichtbar (sondren nur als Kleber zwischen den Quarks in den Baryonen und Mesonen).

[Xathan]

Zu Dirac:
Du meinst sicher die Gleichung, bei der und rauskommt. Wenn ich jetzt falsch liege, muss ich die Formel mal raussuchen. Jedenfalls war das die Beschreibung für den Dirac-See, zu dem in dem von mir gelesenen Buch folgende Erklärung stand:
Wenn es in einem See keine Fische gibt, kann man dennoch einen fangen. Man muss danach nur einen Fisch in den See hineinwerfen, damit er wieder leer ist.

Somit wird das Vakuum als Dirac-See angesehen. Weitere Infos unter http://de.wikipedia.org/wiki/Dirac-See

Das erklärt zumindest, dass es Antiteilchen gibt, aber muss es deswegen gleich Antimaterie geben? Und wie genau muss ich mir die vorstellen? Können ganze Planeten aus Antimaterie bestehen? Oder gar Leben? Wenn ja, dürften wir diese Planeten ja nie betreten oder diese Lebewesen nie treffen, das könnt böse ausgehen. Das ist jetzt meine recht beschränkte Ansicht zu diesem Thema. Ich hoffe, man verzeiht es mir

[gravi]

Ich muss Tom Recht geben: Antimaterie ist etwas völlig Normales!
Er hat das auch schön beschrieben, dem braucht man nichts hinzu zu fügen.

Wenn es größere Ansammlungen von Antimaterie im Kosmos gibt, könnten sich daraus selbstverständlich auch Sterne, Planeten und alles andere bilden, ja selbst "Antilebewesen" könnten entstehen. So wie Mac es schon bei Wiki gefunden hat, sind doch nur ein paar Ladungen entgegen gesetzt.

Auf solchen Anti- Welten würde dann auch die selbe Physik gelten, die selbe Chemie wie bei uns.
Nur betreten sollte man solche Welten besser nicht, es sei denn dass man seinem Leben ein heißes Ende setzen möchte

Gruß
gravi

[tomS]

@Xathan: die Diracgleichung für die Wellenfunktion der Elektronen und Positronen lautet


Dabei ist

die kovariante Ableitung mit dem el-mag. Vektorpotential.

Die Gamma-Matrizen sind dabei 4-dimensionale Verallgemeinerungen der 2-dim. Paulimatrizen für ein nicht-rel. Teilchen mit Spin 1/2. Demnach beschreibt die Diracgleichung ein relativistisches Elektron mit den Symmetrien der Lorentzgruppe. Deren (1/2, 1/2) Darstellung führt auf 4-komponentige Spinorwellenfunktionen .

Die Diracgleichung enthält kein Quadrat, allerdings erlaubt sie trotzdem das Auftreten von negativen Energien. Man kann jedoch in einer relativistischen Wellenfunktion nicht unterscheiden, ob ein Teilchen negative Energie hat, oder ob es mit positiver Energie rückwärts in der Zeit propagiert.

Der Diracsee (korrekt eigentlich die Dirac-See, vom engl. Dirac sea) kann erst erklärt werden, wenn man diese Gleichung als quantenfeldtheoretische Gleichung interpretiert, in der auch Erzeugung und Vernichtung von Teilchen zugelassen werden. Dann stellt man nämlich fest, dass ein einzelnes Teilchen positiver Energie unter kontinuierlicher Abstrahlung von el-mag. Strahlung auf immer tiefere Energieniveaus bis fallen würde (Instabilität des Vakuums). Dies wird durch einen Trick verboten: Man behauptet einfach, dass alle negativen Energieniveaus bereits besetzt sind, so dass dort kein Teilchen mehr "Platz hat". Dies kann ebenfalls erst durch eine quantenfeldtheoretische Interpretation mit Fermi-Dirac-Statistik für die Elektronen erklärt werden. Die negativen Energieniveaus führen zu unendliche negativer Vakuumenergie, die man durch eine unendliche Korrektur des Energie-Nullpunktes loswird (Regularisierung durch Normalordnung der Feldoperatoren).

Die unsichtbaren Elektronen, die die negativen Energieniveaus besetzen, bilden die Dirac-See.

[AlTheKingBundy]

übrigens liefert die klein-gordon-gleichung auch teilchen und antiteilchen als lösung (positive und negative, bzw. neutrale ladungsdichteninterpretation). die klein gordon-gleichung beschreibt spin-0 teilchen. gab es die kg-gleichung nicht schon vor dirac? dirac hat doch seine gleichung "erfunden", weil klein-gordon keine positiv definite wahrscheinlichkeitsdichte ergibt!

[tomS]

Ja, die K-G-Gleichung war die erste relativistische Gleichung für Materiewellen - die Maxwellgleichungen für das el.-mag Feld gab es ja schon viel früher.

Der wesentliche Unterschied ist, dass die K-G- und die Dirac-Gl. genauso wie die nicht-rel. Schrödinger-Gl. durch den Prozess der Quantisierung entstehen, also die Ersetzung einer klassischen Gleichung wie

durch die q.m. Version:

D.h. klassisch existiert zunächst gar keine Wellengleichung, sondern nur eine kinematische Energie-Impuls Beziehung.

Das Problem mit der K-G-Gl. ist
1) wie Al schreibt, dass die Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Gleichung keinen Sinn ergibt; die Dichte des K-G-Feldes ist nicht positiv definit und führt auf negative Wahrscheinlichkeiten.
2) die Gleichung ist von zweiter Ordnung in der Zeitableitung; dies bedeutet, dass man zur Lösung der Differentialgleichung für das K-G-Feld nicht nur seinen Wert sondern auch den Wert seiner ersten zeitlichen Ableitung als Anfangsbedingung zu einem Zeitpunkt t=t° im ganzen Raum R³ vorgeben muss. Dies führt auf Interpretationsprobleme, da diese Vorgabe q.m. keinen Sinn ergibt

Dirac hat seine Gleichung eingeführt, indem er quasi "die Wurzel aus der K-G-Gl. " gezogen hat. Interessanterweise wird man dadurch die negativen Energien nicht los!

Die negative Dichte ist unproblematisch, da man sie als Ladungsdichte interpretieren kann. Die Dirac-Gl. ist von erster Ordnung in der Zeitableitung und kann deshalb q.m. problemlos interpretiert werden.
Man stellt außerdem fest, dass die Dirac-Gl. andere Objekte, nämlcih Spin 1/2 Felder - also Fermionen beschreibt, die K-G-Gl. dageben Spin-0 Felder - also Bosonen.

Schlussendlich verschwinden sämtliche Probleme, wenn man die Gl. nicht mehr als q.m. Wellengleichungen für Materiefelder interpretiert, sondern als Operatorgleichungen im Rahmen der Quantenfeldtheorie. Dann ist die Forderung der positiv definiten Wahrscheinlichkeit keine Forderung an die Gleichung bzw. deren Lösungen im Sinne von Wellenfunlktionen, sondern an den Hilbertraum der physikalischen Zustände.

[tomS]

ich habe den Eindruck, dass unter Antimaterie zweierlei Dinge verstanden werden. Ich verstehe darunter einfach die entsprechenden Antiteilchen. MAn kann aber auch Anti-Atome, -Moleküle usw. bauen - vorausgesetzt, man schafft es, die Anti-XXX von normaler Materie zu trennen - sonst knallts eben.

Man hat tatsächlich auch schon Antiwasserstoff hergestellt und damit experimentiert. Ergebnis: bzgl. Gravitation, Spektrallinien usw. kein Unterschied zu gewöhnlichem Wasserstoff, also keine Asymmetrie.

@SNOOPY: es gibt Anti-Neutronen; sie bestehen aus zwei Anti-d und einem Anti-u Quark; sie sind elektrisch neutral, der Unterschied ist die Quantenzahl "starker Isospin". Masse und Energie sind natürlich immer positiv (negative Energie wird zwar manchmal gesagt, ist aber nur ein Rechentrick; gemessen wird immer positive Energie gemäß E = mc²)

@Skeltek: "Spaeter fand man jedoch heraus, dass sich die Teilchen nicht nur durch ihre Ladung, sondern auch durch andere Aspekte wie z.B. ihre Langlebigkeit unterscheiden..."
Unterschiede in der Lebensdauer gibt es nur in Systemen, in denen die schwache Wechselwirkung die CP-Invarianz bricht; das sind die von mir genannten K- und B-Mesonen. Die uns umgebende Materie hat ein völlig exaktes Spiegelbild ohne jegliche Asymmetrie.

Positronen und Elektronen im Atom / Kern? Im Kern gibt es PROTONEN - das ist was anderes! Am CERN werden nicht "Antiteilchen aus Positronen und Elektronen zusdammengesetzt". Die Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen. Was entsteht sind Mesonen - die bestehen aus Quark und Antiquark und sind entsprechend kurzlebig.

@McLane: "Verantwortlich für Zerfälle ist doch afaik die schwache Kernkraft...". Das hängt davon ab. Beim Zerfall des Neutrons (unter Umwandlung eines Quarks in ein anderes Quark + Elektron +Neutrino) hast dun recht. Entsporechend lang (> 10 min) ist die Lebensdauer. Beim Zerfall von Mesonen ist es aber die starke WW mit enstprechend kurzen Lebensdauern. Man kann auch das Abstrahlen eines Photons aus einem Atom mit Übergang von einem angeregten Zustand in den Grundzustand als Zerfall bezeichnen - hier wäre dann die el.-mag. WW verantwortlich.

[Skeltek]

ich habe den Eindruck, dass unter Antimaterie zweierlei Dinge verstanden werden. Ich verstehe darunter einfach die entsprechenden Antiteilchen. MAn kann aber auch Anti-Atome, -Moleküle usw. bauen - vorausgesetzt, man schafft es, die Anti-XXX von normaler Materie zu trennen - sonst knallts eben.

Man hat tatsächlich auch schon Antiwasserstoff hergestellt und damit experimentiert. Ergebnis: bzgl. Gravitation, Spektrallinien usw. kein Unterschied zu gewöhnlichem Wasserstoff, also keine Asymmetrie.

Achso, ich dachte als du den Thread gestartet hattest, dass es darum ging, wieso das Universum vorwiegend nicht aus Anti-Protonen/Molekuelen sondern aus normalen Protonen/Elektronen besteht.

Zum zweiten: Ich hab mich jetzt mal durch den Thread hier veranlasst dazu durch gerungen die letzten Tage mich im Bezug zu Fermionen, Bosonen & Co mal gruendlichst zu informieren. Bisher wusste ich nicht genau, woraus ein Proton genau aufgebaut ist, sorry diesbezueglich. Wollte meine Beitraege aber im Nachhinein nicht editieren, weil ich mir nicht sicher war, ob das den Entwicklungsverlauf des Threads nicht verfaelschen wuerde ^^

Gruesse, Skel

[tomS]

Ja, zu Beginn ging es mir tatsächlich "nur" um die Fragestellung, warum es eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum gibt. Dabei bin ich stillschweigend davon ausgegangen, dass jeder unter Antimaterie dasselbe versteht. Mein Verständnis (Anti-Teilchen zu bekannten Teilchen) schließt ja den Aufbau von Antimaterie im Sinne von höherwertiger Materie (Protonen, Atome, Moleküle, ...) mit ein. Daher reicht es aus, zu erklären warum in einem bestimmten Gebiet des Universums die Antiteilchen (also z.B. Antiquarks und Positronen) über die Teilchen dominieren. Daraus ergibt sich ganz natürlich die Entstehung von höherwertiger Antimaterie, da ja alle weiteren Prozesse symmetrisch bzw. somit identisch ablaufen.

[Koschi]

Ich möchte mal ein Frage für mein Verständnis loswerden. (Habe jetzt hier in diesen Beiträgen viel gelesen aber wenig Verstanden )

Wenn ein Materieteilchen auf ein Antimaterieteilchen trifft soll ja energie frei werden. Und der gute Einstein hat gesagt E=m*c². So wenn jetzt die ganzen Materie und Antiematerie sich gegenseitig Vernichtet haben und die entstandene Energie irgendwann mal wieder Materie werden sollte (soll ja möglich sein) Woher weiß die Energie ob es jetzt Materie oder Antimaterie werden soll ?

Gruß Koschi