PANDA – Teilchen-Zauberei mit Antimaterie

Die Starke Kraft ist die Kraft, die unsere Welt im Innersten zusammenhält. Die elementaren Bausteine unserer Materie, die Quarks, werden durch die Starke Kraft zusammengehalten. Wissenschaftler im PANDA-Experiment wollen diese Kraft, von der noch vieles unverstanden ist, erforschen. Dazu wollen sie vorhergesagten, aber noch nie beobachteten Teilchen auf die Spur kommen und dabei auch verstehen, wie Masse in unsere Welt kommt. Ihre Werkzeuge: der PANDA-Detektor und Antimaterie.

Der PANDA-Detektor

  • wiegt so viel wie 235 Elefanten: 700 Tonnen
  • ist so lang wie ein Sattelschlepper und so hoch wie zwei Stockwerke: 18 Meter lang, sechs Meter hoch und sechs Meter breit
  • kann 100 Millionen Teilchenspuren pro Sekunde auf 50 Mikrometer genau vermessen
  • besitzt einen supraleitenden Magneten, der auf minus 269 Grad Celsius heruntergekühlt wird
  • erzeugt Magnetfelder, die so stark sind, dass man damit 480 Tonnen Eisen heben könnte.

Teilchen und Antiteilchen

Etwas verschwinden und etwas Neues auftauchen lassen – in der Welt der kleinsten Teilchen ist dafür kein Zaubertrick nötig. Das Instrument der Physiker sind Antiteilchen, die Bausteine der Antimaterie. Zu jedem Teilchen unserer „normalen“ Materie gibt es ein so genanntes Antiteilchen. Sie unterscheiden sich zum Beispiel durch entgegengesetzte elektrische Ladung, gehorchen nach unserem heutigen Verständnis denselben physikalischen Gesetzen. Das heißt, dass wir mit bloßem Auge eine Welt aus Antimaterie nicht von einer Welt aus Materie unterscheiden könnten: Anti­-Gold würde glänzen wie Gold und Anti-­Wasser plätschern wie Wasser. Eine Art Spiegelwelt.

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Der PANDA-Detektor.
Grafik: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Annihilation – Vernichtung und Geburt von Teilchen

Das Besondere ist aber: Sobald ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft, lösen sie sich gegenseitig in freie Energie auf, aus der wiederum andere, neue Teilchen entstehen können. Die gegenseitige Vernichtung von Antimaterie und Materie heißt Annihilation. Im PANDA-Experiment (Antiproton Annihilation at Darmstadt) wird dieser Effekt ausgenutzt. Indem sie Anti­protonen auf Protonen schießen, wollen Wissenschaftler Teilchen erzeugen, die uns tiefere Einblicke über die rätselhafte Starke Kraft geben.

Die Starke Kraft

Die Starke Kraft verbindet die Quarks zu Protonen und Neutronen, den Bausteinen des Atomkerns. Vermittelt wird diese Kraft von den so genannten Gluonen (engl. glue = Kleber). Die Starke Kraft können wir uns als verbindende „Gummischnur“ vorstellen, und sie hat die ungewöhnliche Eigenschaft, dass sie bei größerer Entfernung immer weiter zunimmt und schließlich so stark wird, dass es unmöglich ist, zwei Quarks voneinander zu trennen. Denn die Energie, die dafür aufgebracht werden müsste, ist so groß, dass daraus sofort wieder ein neues Quark-Antiquark-Paar entstehen würde. Wissenschaftliche Theorien, die die Starke Kraft beschreiben, sagen etliche Teilchen voraus, die aus unterschiedlichen Kombinationen von Quarks und Gluonen bestehen, die aber noch nie beobachtet werden konnten. Darunter auch sogenannte Glueballs, Teilchenzustände, die ausschließlich aus Gluonen bestehen. Mit dem „Trick“ der Annihilation wollen Wissenschaftler am PANDA-Experiment solche Teilchen erzeugen und herausfinden, welche vorhergesagten Teilchen tatsächlich existieren und welche Eigenschaften sie haben. Dies wird unser Verständnis von der Starken Kraft erheblich voranbringen.

Wie entsteht Masse?

In diesem Zusammenhang wollen die Wissenschaftler auch herausfinden, wie Teilchen zu ihrem Gewicht bzw. ihrer Masse kommen. Denn ein Proton zum Beispiel wiegt rund 50-mal mehr als die drei Quarks, aus denen es besteht. Die Masse entsteht folglich erst dadurch, dass sich die Quarks durch die Starke Kraft, das heißt durch die Gluonen, zum Proton verbinden. Wissenschaftler, die mit dem PANDA-Experiment die Starke Kraft besser verstehen, können somit auch erforschen, wie Materie zu ihrer Masse kommt.

Informationen für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

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Kristalle des PANDA-Detektors zum Nachweis von Teilchen.
Foto: R. Novotny