Wie in ganz normalen Gewittern Antimaterie entsteht

27. November 2017, 08:00
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Die extrem energiereiche Strahlung eines Blitzes löst Kernreaktionen aus, bei denen Positronen erzeugt werden

foto: apa/dpa/marcel kusch
In Gewittern (wie hier über München) wird gleich auf mehrfache Weise Gammastrahlung produziert, wie nun ein japanisches Forscherteam bewies.

Kyoto – Die Vermutung ist nicht ganz neu. Allein, es fehlte bislang der Beweis. Vor sechs Jahren meldete das Gammastrahlenteleskop Fermi, das eigentlich in den Weiten des Universums nach entsprechenden Quellen Ausschau hält (und kürzlich bei der spektakulären Neutronensternkollision mit Gammablitz eine wichtige Nebenrolle spielte), einen überraschenden Gammastrahlenüberschuss ganz in der Nähe: nämlich oberhalb von großen Gewitterwolken auf der Erde.

Die Energie dieser Strahlung lag genau bei dem Wert, der bei der Reaktion von Positronen mit Materie entsteht, nämlich 0,511 Megaelektronenvolt. Irgendwo in dem Gewitter musste demnach Antimaterie entstanden sein. Aber wie konnte das passieren?

Enorme Energiemengen

Dass ein Blitz große Energiemengen freisetzt, ist recht gut dokumentiert: Die Stromstärke kann mehrere zehntausend Ampere erreichen, wodurch in Sekundenbruchteilen die umgebende Luft auf bis zu 30.000 Grad Celsius erhitzt wird. Sie dehnt sich deshalb explosionsartig aus und lässt es donnern. Doch können Blitze tatsächlich auch Gammastrahlen und Antimaterie erzeugen, wie Fermis Daten 2011 nahelegten?

Um die Frage zu klären, stellte Teruaki Enoto (Universität Kyoto) mit Kollegen nahe dem Kernkraftwerk Niigata in Japan Blitzen eine Falle: Sie bauten vier hochsensible Gammastrahlen-Detektoren auf und warteten, bis ein Gewitter in der Nähe niederging.

Analysierter Blitzeinschlag

Das passierte im Februar dieses Jahres, und das Ereignis lieferte tatsächlich den ersten konkreten Beweis für die Vermutungen. Wie Enoto und sein Team im Fachjournal "Nature" schreiben, setzte ein Blitz, der in der Nähe einschlug, 200 Millisekunden lang Gammastrahlen frei. Danach folgte ein schwächeres Gammastrahlen-Nachglühen sowie eine nicht ganz eine Minute währende Phase, während der Gammastrahlung der Energie von 0,511 Megaelektronenvolt frei gesetzt wurde.

Besonderes Augenmerk schenkten die Physiker der zweiten und dritten Phase, die nicht ganz trivial waren. Laut den Analysen kam es nämlich durch eine Kernreaktion des Luftstickstoffs zum zweiten kurzen Schub an Gammastrahlen. Ein Neutron aus dem Atomkern des Stickstoffs wurde herausgeschlagen, und es entstand das kurzlebige Isotop Stickstoff-13. Die herausgeschlagenen Neutronen kollidierten mit weiteren Gasatomen in der Luft und produzierten weitere Gammastrahlung.

foto: teruaki enoto/universität kyoto
Was sich bei einem Blitz wirklich abspielt: Durch die große Energie wird ein Neutron aus dem Atomkern des Stickstoffs herausgeschlagen. Es entsteht das kurzlebige Isotop N-13, das zu Kohlenstoff-13 zerfällt. Dabei wird Antimaterie in Form eines Positrons erzeugt.

Wie die Positronen entstehen

Als besonders spannend erwies sich die Phase drei: Beim Zerfall des instabilen Stickstoff-13-Isotops zu Kohlenstoff wandelt sich ein Proton des Atomkerns durch den Betazerfall in ein Neutron um. Dabei wird neben einem Neutrino auch das Antimaterie-Äquivalent des Elektrons frei: ein Positron. Und sobald dieses in Kontakt mit Elektronen kommt, löschen sich beide Teilchen gegenseitig aus. Durch die Annihilation entsteht Gammastrahlung.

Die Analysen der japanischen Physiker lieferten aber auch noch ein Nebenprodukt: eine bisher unbekannte Quelle von Isotopen wie Stickstoff-15, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14. Auch deren Existenz verdanken wir – so wie die der Gammastrahlung – nicht nur der kosmischen Strahlung: Sie entstehen ebenfalls in Gewittern. (tasch, 27.11.2017)

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