Teilchenphysik: Minibomben aus dem Labor
Amerikanische Forscher haben eine äußerst ungewöhnliche Substanz hergestellt. Sie vereinigt Gegensätze, die einander eigentlich nicht dulden dürfen - und wird damit zu einem enorm explosiven Gemisch.
© spektrumdirekt (Ausschnitt)
Physiker und Science-Fiction-Fans wissen: Wenn Materie und Antimaterie zusammentreffen, knallt es. Verantwortlich dafür ist das Prinzip der Paarvernichtung – trifft ein Elementarteilchen auf sein Antiteilchen, dann löschen sie sich in einem Lichtblitz gegenseitig aus. Die in ihnen enthaltene Masse geht in energiereiche elektromagnetische Strahlung über, daher auch die Bezeichnung "Paarzerstrahlung". Das bekannteste Beispiel hierfür ist die Elektron-Positron-Reaktion, bei der ein negativ geladenes Elektron und sein positiv geladenes Pendant, das Positron, zusammenprallen und zu zwei Photonen zerstrahlen.
Die Idee, Materie- und Antimaterieteilchen zu Strukturen zusammenzufügen, wirkt daher reichlich sonderbar. Genau dies scheint amerikanischen Physikern jetzt aber gelungen zu sein. Allen Mills von der Universität in Kalifornien in Riverside und seine Kollegen teilten mit, dass sie aller Wahrscheinlichkeit nach Positronium-Moleküle erzeugt hätten. Was muss man sich darunter vorstellen?
Das einfachste chemische Element ist Wasserstoff. In ihm bewegt sich ein negativ geladenes Elektron um einen positiv geladenen Atomkern, der im simpelsten Fall aus einem einzelnen Proton besteht. Proton und Elektron werden von der elektrischen Anziehungskraft zusammengehalten. Nun ist denkbar, dass Proton durch ein Positron zu ersetzen – durch ein positiv geladenes Anti-Elektron also. Tatsächlich gelang dies bereits, und zwar dem Physiker Martin Deutsch im Jahr 1951: Das entstehende Elektron-Positron-Gebilde heißt "Positronium". Weil ein Positron nur etwa den zweitausendsten Teil der Masse eines Protons auf die Waage bringt, handelt es sich beim Positronium um eine Art ultraleichten Wasserstoff.
Nun tritt Wasserstoff in der Natur nicht einzeln atomar, sondern paarweise als H2-Wasserstoffmolekül auf. Theoretisch sollte es also möglich sein, Positronium-Atome ebenfalls zu Molekülen zusammenzulagern. Um das zu untersuchen, richteten Mills und sein Team einen Positronenstrahl (den sie aus einer radioaktiven Kalium-Quelle gewannen) auf einen kleinen Körper aus porösem Silizium. Während die Positronen auf die Substanz einhagelten, schlugen sie etliche Elektronen aus den Hüllen der Silizium-Atome und verbanden sich mit ihnen zu Positronium.
Die Positronium-Atome sammelten sich nun in den winzigen, nur wenige Nanometer großen Silizium-Poren. Ihre Dichte dort, so hatten die Wissenschaftler vorher spekuliert, sollte so stark anwachsen, dass sie des Öfteren miteinander kollidieren und sich dabei spontan zu Molekülen zusammenlagern müssten. Freilich waren die Positronium-Atome nicht sonderlich stabil: Schon nach Sekundenbruchteilen vernichteten sich das Elektron und das Positron via Paarzerstrahlung und gaben dabei einen Gammastrahlenblitz ab.
Mills und seine Kollegen untersuchten die Häufigkeit dieser Blitze. Ihre Erwartung: In den Silizium-Poren ist die Positronium-Dichte recht hoch, folglich sollte es dort häufig zu Paarzerstrahlungen kommen, folglich sollten dort häufig Gammablitze zu registrieren sein. Es zeigte sich indes, dass die gemessene Gammastrahlenaktivität noch höher ausfiel als erwartet. Nach Ansicht der Wissenschaftler ist das ein Zeichen dafür, dass einige der Positronium-Atome sich zu Molekülen zusammenlagerten. Analog zur Schreibweise für molekularen Wasserstoff lautet die Schreibweise für solche Positronium-Moleküle Ps2.
Allerdings ist die Schlussfolgerung der Forscher nicht ganz stichfest, für die beobachteten Ergebnisse gibt es auch alternative Erklärungen. Es könnte etwa sein, dass das Silizium kleine Risse aufwies, in denen es zu einer zusätzlichen Kompression der Positronium-Atome kam – und mithin zu der beobachteten hohen Gammaaktivität. Mills und Kollegen wollen dies in künftigen Versuchen überprüfen.
Bleibt die Frage nach dem Nutzen solcher Experimente. Was kann man mit molekularem Positronium anfangen? Manche Forscher spekulieren, dass sich daraus Positronium-Wasser herstellen ließe: Ps2O. Könnte dieses Elixier eine besonders hohe Reinigungswirkung entfalten? Ungewöhnlich gut schmecken? Den Durst besonders nachhaltig löschen? Man weiß es nicht. Wofür aber auch immer Ps2O eingesetzt würde, der Anwender müsste sich beeilen – das kostbare Materie-Antimaterie-Wasser würde ihm binnen eines Wimpernschlags um die Ohren fliegen.
Die Idee, Materie- und Antimaterieteilchen zu Strukturen zusammenzufügen, wirkt daher reichlich sonderbar. Genau dies scheint amerikanischen Physikern jetzt aber gelungen zu sein. Allen Mills von der Universität in Kalifornien in Riverside und seine Kollegen teilten mit, dass sie aller Wahrscheinlichkeit nach Positronium-Moleküle erzeugt hätten. Was muss man sich darunter vorstellen?
Das einfachste chemische Element ist Wasserstoff. In ihm bewegt sich ein negativ geladenes Elektron um einen positiv geladenen Atomkern, der im simpelsten Fall aus einem einzelnen Proton besteht. Proton und Elektron werden von der elektrischen Anziehungskraft zusammengehalten. Nun ist denkbar, dass Proton durch ein Positron zu ersetzen – durch ein positiv geladenes Anti-Elektron also. Tatsächlich gelang dies bereits, und zwar dem Physiker Martin Deutsch im Jahr 1951: Das entstehende Elektron-Positron-Gebilde heißt "Positronium". Weil ein Positron nur etwa den zweitausendsten Teil der Masse eines Protons auf die Waage bringt, handelt es sich beim Positronium um eine Art ultraleichten Wasserstoff.
Nun tritt Wasserstoff in der Natur nicht einzeln atomar, sondern paarweise als H2-Wasserstoffmolekül auf. Theoretisch sollte es also möglich sein, Positronium-Atome ebenfalls zu Molekülen zusammenzulagern. Um das zu untersuchen, richteten Mills und sein Team einen Positronenstrahl (den sie aus einer radioaktiven Kalium-Quelle gewannen) auf einen kleinen Körper aus porösem Silizium. Während die Positronen auf die Substanz einhagelten, schlugen sie etliche Elektronen aus den Hüllen der Silizium-Atome und verbanden sich mit ihnen zu Positronium.
Die Positronium-Atome sammelten sich nun in den winzigen, nur wenige Nanometer großen Silizium-Poren. Ihre Dichte dort, so hatten die Wissenschaftler vorher spekuliert, sollte so stark anwachsen, dass sie des Öfteren miteinander kollidieren und sich dabei spontan zu Molekülen zusammenlagern müssten. Freilich waren die Positronium-Atome nicht sonderlich stabil: Schon nach Sekundenbruchteilen vernichteten sich das Elektron und das Positron via Paarzerstrahlung und gaben dabei einen Gammastrahlenblitz ab.
Mills und seine Kollegen untersuchten die Häufigkeit dieser Blitze. Ihre Erwartung: In den Silizium-Poren ist die Positronium-Dichte recht hoch, folglich sollte es dort häufig zu Paarzerstrahlungen kommen, folglich sollten dort häufig Gammablitze zu registrieren sein. Es zeigte sich indes, dass die gemessene Gammastrahlenaktivität noch höher ausfiel als erwartet. Nach Ansicht der Wissenschaftler ist das ein Zeichen dafür, dass einige der Positronium-Atome sich zu Molekülen zusammenlagerten. Analog zur Schreibweise für molekularen Wasserstoff lautet die Schreibweise für solche Positronium-Moleküle Ps2.
Allerdings ist die Schlussfolgerung der Forscher nicht ganz stichfest, für die beobachteten Ergebnisse gibt es auch alternative Erklärungen. Es könnte etwa sein, dass das Silizium kleine Risse aufwies, in denen es zu einer zusätzlichen Kompression der Positronium-Atome kam – und mithin zu der beobachteten hohen Gammaaktivität. Mills und Kollegen wollen dies in künftigen Versuchen überprüfen.
Bleibt die Frage nach dem Nutzen solcher Experimente. Was kann man mit molekularem Positronium anfangen? Manche Forscher spekulieren, dass sich daraus Positronium-Wasser herstellen ließe: Ps2O. Könnte dieses Elixier eine besonders hohe Reinigungswirkung entfalten? Ungewöhnlich gut schmecken? Den Durst besonders nachhaltig löschen? Man weiß es nicht. Wofür aber auch immer Ps2O eingesetzt würde, der Anwender müsste sich beeilen – das kostbare Materie-Antimaterie-Wasser würde ihm binnen eines Wimpernschlags um die Ohren fliegen.
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