Wat is antimaterie?

R. Michael Barnett van het Lawrence Berkeley National Laboratory en Helen Quinn van het Stanford Linear Accelerator Center geven dit antwoord, waarvan gedeelten zijn geparafraseerd uit hun boek The Charm of Strange Quarks:

In 1930 formuleerde Paul Dirac een kwantumtheorie voor de beweging van elektronen in elektrische en magnetische velden, de eerste theorie die Einsteins speciale relativiteitstheorie op de juiste wijze in deze context opnam. Deze theorie leidde tot een verrassende voorspelling: de vergelijkingen die het elektron beschreven, beschreven ook, en vereisten in feite, het bestaan van een ander soort deeltje met precies dezelfde massa als het elektron, maar met positieve in plaats van negatieve elektrische lading. Dit deeltje, dat het positron wordt genoemd, is het antideeltje van het elektron, en het was het eerste voorbeeld van antimaterie.

De ontdekking ervan in experimenten bevestigde spoedig de opmerkelijke voorspelling van antimaterie in de theorie van Dirac. Een foto van een wolkenkamer die in 1931 door Carl D. Anderson werd gemaakt, toonde een deeltje dat van onderen binnenkwam en door een loden plaat ging. De richting van de kromming van het pad, veroorzaakt door een magnetisch veld, gaf aan dat het om een positief geladen deeltje ging, maar met dezelfde massa en andere kenmerken als een elektron. Experimenten produceren tegenwoordig routinematig grote aantallen positronen.

Diracs voorspelling geldt niet alleen voor het elektron, maar voor alle fundamentele bestanddelen van de materie (deeltjes). Elk type deeltje moet een overeenkomstig antideeltjestype hebben. De massa van elk antideeltje is identiek aan die van het deeltje. Alle andere eigenschappen zijn ook nauw verwant, maar met de tekens van alle ladingen omgekeerd. Een proton heeft bijvoorbeeld een positieve elektrische lading, maar een antiproton heeft een negatieve elektrische lading. Het bestaan van antimaterie-partners voor alle materiedeeltjes is nu een goed geverifieerd verschijnsel, waarbij beide partners voor honderden van dergelijke paren zijn waargenomen.

Nieuwe ontdekkingen leiden tot nieuwe taal. Door de term “antimaterie” te bedenken, hebben natuurkundigen in feite de betekenis van het woord “materie” geherdefinieerd. Tot die tijd betekende “materie” alles met substantie; zelfs vandaag de dag geven schoolboeken deze definitie: “materie neemt ruimte in en heeft massa.” Door het concept van antimaterie toe te voegen als verschillend van materie, vernauwden natuurkundigen de definitie van materie tot slechts bepaalde soorten deeltjes, waaronder echter alle deeltjes die in de dagelijkse ervaring voorkomen.

Elk paar van bij elkaar horend deeltje en antideeltje kan worden geproduceerd op elk moment dat er voldoende energie beschikbaar is om de benodigde massa-energie te leveren. Evenzo kunnen op elk moment dat een deeltje zijn bijpassende antideeltje ontmoet, de twee elkaar vernietigen, dat wil zeggen dat ze allebei verdwijnen, waarbij hun energie in een andere vorm wordt omgezet.

Er is geen intrinsiek verschil tussen deeltjes en antideeltjes; ze komen in wezen op dezelfde voet voor in alle deeltjestheorieën. Dit betekent dat de natuurkundige wetten voor antideeltjes bijna identiek zijn aan die voor deeltjes; elk verschil is een miniem effect. Maar er is zeker een dramatisch verschil in de aantallen van deze objecten die we in de wereld om ons heen aantreffen; de hele wereld is van materie gemaakt. Alle antimaterie die we in het laboratorium produceren, verdwijnt snel omdat het samenkomt met overeenkomstige materiedeeltjes en vernietigt.

De moderne theorieën van de deeltjesfysica en van de evolutie van het heelal suggereren, of vereisen zelfs, dat antimaterie en materie in de vroegste stadia evenveel voorkwamen, dus waarom is antimaterie vandaag de dag zo ongewoon? De waargenomen onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie is een raadsel dat nog moet worden verklaard. Zonder deze onevenwichtigheid zou het heelal er nu zeker veel minder interessant uitzien, omdat er in wezen geen materie meer zou zijn; door annihilaties zou alles nu in elektromagnetische straling zijn omgezet. Het is dus duidelijk dat deze onevenwichtigheid een belangrijke eigenschap is van de wereld die wij kennen. Pogingen om het te verklaren zijn tegenwoordig een actief onderzoeksgebied.

Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we dat kleine deel van de natuurkundige wetten beter begrijpen dat verschilt voor materie en antimaterie; zonder zo’n verschil zou er geen mogelijkheid zijn voor een onevenwicht om op te treden. Dit onderscheid wordt bestudeerd in een aantal experimenten over de hele wereld die zich richten op verschillen in het verval van deeltjes die B-mesonen worden genoemd en hun antideeltjespartners. Deze experimenten zullen worden uitgevoerd in zowel elektron-positron collider faciliteiten genaamd B-fabrieken als in hoge-energie hadron colliders, omdat elk type faciliteit verschillende mogelijkheden biedt om bij te dragen aan de studie van dit detail van de wetten van de fysica – een detail dat verantwoordelijk is voor zo’n belangrijke eigenschap van het universum als het feit dat er überhaupt iets is!

Maria Spiropulu is een promovendus in de fysica aan Harvard. Haar antwoord volgt:

Laten we beginnen met het definiëren van materie. Mensen vragen zich al heel lang af: “Wat is materie?” Democritus, de oude Griekse filosoof en wiskundige, zag structuur in de bouwstenen van alles en hij noemde de basis voor deze structuur een atoom; hij schreef: “niets bestaat behalve atomen en lege ruimte: al het andere is mening.” Op atomair niveau kan de wereld worden beschreven in termen van de elementen, waaronder waterstof, zuurstof, koolstof en dergelijke.

Het blijkt echter dat atomen niet de fundamentele bestanddelen van materie zijn. Wanneer we dichter op de materie inzoomen, door op kleinere afstanden te kijken, ontvouwt zich de subatomaire wereld. Hoe dichterbij we kijken, hoe vreemder deze wereld, de kwantumwereld, zich eigenlijk gedraagt. We kunnen er geen direct verband mee leggen: op kleine schaal gedragen objecten zich niet als staven of ballen of golven of wolken of iets wat we ooit rechtstreeks hebben ervaren. Maar de kwantummechanica van deze wereld laat ons wel beschrijven hoe atomen moleculen vormen.

Zij stelt ons ook in staat de “beweging” van bepaalde deeltjes binnen atomen weer te geven. Atomen bestaan inderdaad uit elektronen die rond de vaste protonen en neutronen in hun kernen zweven, die uit quarks bestaan. Al deze deeltjes staan met elkaar in wisselwerking door middel van “kracht-boodschapper”-deeltjes, zoals fotonen, gluonen, W’s en Z’s. Op basis van de eigenschappen van deze deeltjes kennen we ze identificatienummers toe, of kwantumnummers. En door middel van symmetrieën en behoudswetten waarbij de kwantumgetallen van de deeltjes betrokken zijn, kunnen we hun interacties beschrijven. Voorbeelden van zulke getallen zijn lading en intrinsiek impulsmoment, of spin.

Als a een willekeurig deeltje is en dit deeltje heeft geen andere eigenschappen dan lineair en impulsmoment (waartoe energie en spin behoren), dan is a zijn eigen antideeltje – een van de bestanddelen van antimaterie. Bijvoorbeeld, het foton is zijn eigen antideeltje. Als een deeltje andere eigenschappen heeft (zoals een elektrische lading Q), dan heeft het anti-deeltje de tegenovergestelde eigenschappen (of een lading van -Q). Het proton en het neutron hebben dergelijke attributen. In het geval van het proton onderscheidt zijn positieve lading het van het negatief geladen anti-proton. Het neutron – hoewel elektrisch neutraal – heeft een magnetisch moment dat tegengesteld is aan dat van het anti-neutron. Protonen en neutronen hebben nog een ander kwantumgetal, het baryongetal, dat ook bij de overeenkomstige anti-deeltjes het tegengestelde teken heeft.

De operatie van het verwisselen van deeltjes met anti-deeltjes wordt Charge conjugation (C) genoemd. Deeltjes en antideeltjes hebben exact dezelfde massa en gelijke, maar tegengestelde ladingen en magnetische momenten; als ze onstabiel zijn, hebben ze dezelfde levensduur. Deze periode wordt de Charge Conjugation-Parity-Time (CPT) invariantie genoemd, die vaststelt dat als je deeltjes verwisselt voor anti-deeltjes (C), in een driedimensionale spiegel (P) kijkt en de tijd (T) omkeert, je het verschil tussen de twee niet kunt zien. De strengste tests van CPT tot nu toe zijn metingen van de verhouding van de magnetische momenten van het elektron en positron tot op twee delen van een triljoen (R. Van Dyck, Jr. en P.B. Schwinberg, Universiteit van Washington,1987) en metingen van de lading per massa van het proton en antiproton – gevonden als 0.

Antimaterie is ontstaan als oplossing voor het feit dat de vergelijking die een vrij bewegend deeltje beschrijft (de relativistische relatie tussen energie, momentum en massa) niet alleen positieve energie-oplossingen heeft, maar ook negatieve! Als dit waar was, zou niets een deeltje ervan kunnen weerhouden naar beneden te vallen naar oneindig veel negatieve energietoestanden, en daarbij een oneindige hoeveelheid energie uit te stoten – iets wat niet gebeurt. In 1928 postuleerde Paul Dirac het bestaan van positief geladen elektronen. Het resultaat was een vergelijking die zowel materie als antimaterie beschreef in termen van kwantumvelden. Dit werk was een waarlijk historische triomf, omdat het experimenteel werd bevestigd en een nieuwe manier van denken over deeltjes en velden inluidde.

In 1932 ontdekte Carl Anderson het positron tijdens het meten van kosmische straling in een experiment in de Wilson-kamer. In 1955 ontdekten Emilio Segre, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand en Thomas Ypsilantis in het Berkeley Bevatron het antiproton. En in 1995 hebben wetenschappers in CERN voor het eerst antiwaterstofatomen gesynthetiseerd.

Als een deeltje en zijn antideeltje op elkaar botsen, wordt energie omgezet in energie, die wordt overgebracht door “kracht-boodschapper”-deeltjes die vervolgens in andere deeltjes kunnen vervallen. Wanneer bijvoorbeeld een proton en een anti-proton bij hoge energieën annihileren, kan er een top-anti-top quark paar ontstaan!

Een intrigerend raadsel ontstaat als we bedenken dat de wetten van de natuurkunde materie en antimaterie bijna symmetrisch behandelen. Waarom hebben we dan geen ontmoetingen met anti-mensen gemaakt van anti-atomen? Hoe komt het dat de sterren, stof en al het andere dat we waarnemen van materie gemaakt is? Als de kosmos begon met gelijke hoeveelheden materie en antimaterie, waar is dan de antimaterie?

Experimenteel toont de afwezigheid van annihilatiestraling van de Virgo-cluster aan dat er weinig antimaterie te vinden is binnen ~20 Megaparsecs (Mpc), de typische grootte van galactische clusters. Desondanks bestaat er een uitgebreid programma voor het zoeken naar antimaterie in kosmische straling. Onder andere de resultaten van de High-Energy Antimatter Telescope, een experiment met kosmische straling per ballon, en die van 100 uur gegevens van de Alpha Magnetic Spectrometer aan boord van NASA’s Space Shuttle, ondersteunen de dominantie van materie in ons heelal. Resultaten van NASA’s Compton Gamma Ray Observatory , echter, leggen mogelijk wolken en fonteinen van antimaterie in het Galactisch Centrum bloot.

We stelden dat er een benaderende symmetrie is tussen materie en antimaterie. De kleine asymmetrie wordt geacht tenminste gedeeltelijk verantwoordelijk te zijn voor het feit dat materie langer leeft dan antimaterie in ons universum. Recentelijk hebben zowel het NA48-experiment bij CERN als het KTeV-experiment bij Fermilab deze asymmetrie rechtstreeks gemeten met voldoende precisie om haar vast te stellen. En een aantal experimenten, waaronder het BaBar-experiment bij het Stanford Linear Accelerator Center en Belle bij KEK in Japan, zullen dezelfde vraag in verschillende deeltjesstelsels aan de orde stellen.

Antimaterie bij lagere energieën wordt gebruikt bij Positron Emissie Tomografie (zie dit PET-beeld van de hersenen). Maar antimaterie heeft bij het publiek vooral belangstelling gewekt als brandstof voor het fictieve ruimteschip Enterprise in Star Trek. NASA besteedt zelfs aandacht aan antimaterie als een mogelijke brandstof voor interstellaire voortstuwing. Aan de Penn State University houdt de groep Antimatter Space Propulsion zich bezig met de uitdaging om antimaterie-annihilatie te gebruiken als energiebron voor voortstuwing. Zie ik je op Mars?
Antwoord oorspronkelijk gepost op 18 oktober 1999

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *