Antimaterie is al lang het onderwerp van sciencefiction. In het boek en de film, Angels and Demons, probeert professor Langdon het Vaticaan te redden van een antimateriebom. Het Star Trek-ruimtevaartuig Enterprise gebruikt een vernietigende antimaterie-motor om sneller te reizen dan het licht. Maar antimaterie is ook een object van onze realiteit. Antimaterie-deeltjes zijn praktisch identiek aan hun materiële partners, behalve dat ze tegengestelde lading en spin dragen. Wanneer antimaterie materie ontmoet, vernietigen ze onmiddellijk in energie, en dit is niet langer fictie.
Hoewel antimateriebommen en schepen op basis van dezelfde brandstof in de praktijk nog niet mogelijk zijn, zijn er veel feiten over antimaterie die je zullen verrassen of je geheugen opfrissen van wat je al wist.
1. Antimaterie zou alle materie in het universum vernietigen na de oerknal
Volgens de theorie bracht de oerknal materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden voort. Wanneer ze elkaar ontmoeten, is er wederzijdse vernietiging, vernietiging en blijft alleen pure energie over. Op basis hiervan zouden we niet moeten bestaan.
Maar we bestaan wel. En voor zover natuurkundigen weten, komt dit doordat er voor elke miljard paren materie-antimaterie één extra materiedeeltje was. Natuurkundigen doen hun best om deze asymmetrie te verklaren.
Promotie video:
2. Antimaterie is dichter bij u dan u denkt
Kleine hoeveelheden antimaterie regenen constant op de aarde in de vorm van kosmische straling, energiedeeltjes uit de ruimte. Deze deeltjes antimaterie bereiken onze atmosfeer met niveaus van één tot meer dan honderd per vierkante meter. Wetenschappers hebben ook aanwijzingen dat antimaterie wordt gegenereerd tijdens een onweersbui.
Er zijn andere bronnen van antimaterie die dichter bij ons staan. Bananen produceren bijvoorbeeld antimaterie door ongeveer elke 75 minuten één positron uit te zenden - het antimaterie-equivalent van een elektron. Dit komt omdat bananen kleine hoeveelheden kalium-40 bevatten, een natuurlijk voorkomende isotoop van kalium. Wanneer kalium-40 vervalt, wordt soms een positron geboren.
Ons lichaam bevat ook kalium-40, wat betekent dat je ook positronen uitzendt. Antimaterie vernietigt onmiddellijk bij contact met materie, dus deze deeltjes antimaterie gaan niet erg lang mee.
3. Mensen zijn erin geslaagd om heel weinig antimaterie te creëren
De vernietiging van antimaterie en materie heeft het potentieel om enorme hoeveelheden energie vrij te maken. Een gram antimaterie kan een explosie veroorzaken ter grootte van een atoombom. Mensen hebben echter niet veel antimaterie geproduceerd, dus er is niets te vrezen.
Alle antiprotonen die met de Tevatron-deeltjesversneller bij Fermi Laboratories worden gemaakt, wegen amper 15 nanogram. CERN heeft tot op heden slechts ongeveer 1 nanogram geproduceerd. Bij DESY in Duitsland - niet meer dan 2 nanogram positronen.
Als alle door de mens gecreëerde antimaterie onmiddellijk vernietigt, zal zijn energie niet eens genoeg zijn om een kopje thee te koken.
Het probleem ligt in de efficiëntie en kosten van het produceren en opslaan van antimaterie. Het maken van 1 gram antimaterie vereist ongeveer 25 miljoen miljard kilowattuur energie en kost meer dan een miljoen miljard dollar. Het is niet verwonderlijk dat antimaterie soms wordt vermeld als een van de tien duurste stoffen ter wereld.
4. Er bestaat zoiets als een antimaterie-val
Om antimaterie te bestuderen, moet je voorkomen dat het door materie wordt vernietigd. Wetenschappers hebben verschillende manieren gevonden om dit te doen.
Opgeladen antimaterie deeltjes zoals positronen en antiprotonen kunnen worden opgeslagen in zogenaamde Penningvallen. Ze zijn als kleine deeltjesversnellers. Binnenin bewegen de deeltjes in een spiraal, terwijl magnetische en elektrische velden voorkomen dat ze in botsing komen met de wanden van de val.
Penningvallen werken echter niet voor neutrale deeltjes zoals antiwaterstof. Omdat ze geen lading hebben, kunnen deze deeltjes niet worden beperkt tot elektrische velden. Ze zitten vast in de vallen van Ioffe, die werken door een gebied in de ruimte te creëren waar het magnetische veld in alle richtingen groter wordt. Deeltjes antimaterie komen vast te zitten in het gebied met het zwakste magnetische veld.
Het magnetisch veld van de aarde kan dienen als vallen voor antimaterie. Antiprotonen werden gevonden in bepaalde zones rond de aarde - de Van Allen-stralingsgordels.
5. Antimaterie kan vallen (in de letterlijke zin van het woord)
Materiedeeltjes en antimaterie hebben dezelfde massa, maar verschillen in eigenschappen zoals elektrische lading en spin. Het standaardmodel voorspelt dat de zwaartekracht in gelijke mate zou moeten werken op materie en antimaterie, maar dit valt nog te bezien. Daar werken experimenten als AEGIS, ALPHA en GBAR aan.
Het observeren van het gravitatie-effect op het voorbeeld van antimaterie is niet zo eenvoudig als kijken naar een appel die uit een boom valt. Deze experimenten vereisen het vangen van antimaterie of het vertragen door af te koelen tot temperaturen net boven het absolute nulpunt. En aangezien zwaartekracht de zwakste van de fundamentele krachten is, moeten natuurkundigen neutrale antimaterie-deeltjes gebruiken in deze experimenten om interactie met de sterkere kracht van elektriciteit te voorkomen.
6. Antimaterie wordt bestudeerd in deeltjesmoderatoren
Heb je gehoord van deeltjesversnellers en heb je gehoord van deeltjesvertragers? Bij CERN is er een machine genaamd de Antiproton Decelerator, waarin antiprotonen worden gevangen en vertraagd om hun eigenschappen en gedrag te bestuderen.
In ringdeeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider krijgen deeltjes elke keer dat ze een cirkel maken een energetische boost. Retarders werken andersom: in plaats van deeltjes te versnellen, worden ze in de tegenovergestelde richting geduwd.
7. Neutrino's kunnen hun eigen antideeltjes zijn
Een materiedeeltje en zijn antimateriële partner hebben tegengestelde ladingen, waardoor ze gemakkelijk van elkaar te onderscheiden zijn. Neutrino's, bijna massaloze deeltjes die zelden in wisselwerking staan met materie, hebben geen lading. Wetenschappers denken dat ze Majorana-deeltjes kunnen zijn, een hypothetische klasse van deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn.
Projecten zoals de Majorana Demonstrator en EXO-200 hebben tot doel te bepalen of neutrino's inderdaad Majorana-deeltjes zijn door het gedrag te observeren van wat bekend staat als neutrinoless dubbel bèta-verval.
Sommige radioactieve kernen vervallen gelijktijdig en zenden twee elektronen en twee neutrino's uit. Als neutrino's hun eigen antideeltjes waren, zouden ze na dubbel verval vernietigen en zouden wetenschappers alleen elektronen hoeven te observeren.
De zoektocht naar Majorana-neutrino's kan helpen verklaren waarom de asymmetrie tussen materie en antimaterie bestaat. Natuurkundigen suggereren dat Majorana-neutrino's zowel zwaar als licht kunnen zijn. De longen bestaan in onze tijd, en de zware bestonden onmiddellijk na de oerknal. Zware Majorana-neutrino's vervielen asymmetrisch, wat leidde tot het verschijnen van een kleine hoeveelheid materie die ons universum vulde.
8. Antimaterie wordt gebruikt in de geneeskunde
PET, PET (Positron Emission Topography) gebruikt positronen om lichaamsbeelden met hoge resolutie te produceren. Positron-emitterende radioactieve isotopen (zoals die we in bananen aantroffen) hechten zich vast aan chemicaliën zoals glucose in het lichaam. Ze worden in de bloedbaan geïnjecteerd waar ze op natuurlijke wijze vervallen en positronen uitstoten. Deze ontmoeten op hun beurt de elektronen van het lichaam en vernietigen. Annihilatie produceert gammastraling die wordt gebruikt om een beeld te construeren.
Wetenschappers van het ACE-project bij CERN bestuderen antimaterie als mogelijke kandidaat voor de behandeling van kanker. Artsen zijn er al achter dat ze deeltjesbundels op tumoren kunnen richten en hun energie pas kunnen afgeven nadat ze veilig door gezond weefsel zijn gegaan. Het gebruik van antiprotonen zorgt voor een extra uitbarsting van energie. Deze techniek is effectief gebleken bij de behandeling van hamsters, maar is nog niet getest op mensen.
9. Antimaterie kan in de ruimte op de loer liggen
Een van de manieren waarop wetenschappers proberen het probleem van de asymmetrie van materie-antimaterie op te lossen, is door te zoeken naar antimaterie die is overgebleven van de oerknal.
De Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is een deeltjesdetector die zich op het internationale ruimtestation ISS bevindt en zoekt naar dergelijke deeltjes. AMS bevat magnetische velden die het pad van kosmische deeltjes buigen en materie scheiden van antimaterie. De detectoren moeten dergelijke deeltjes detecteren en identificeren terwijl ze passeren.
Botsingen met kosmische straling produceren meestal positronen en antiprotonen, maar de kans om een antiheliumatoom te creëren blijft extreem klein vanwege de enorme hoeveelheid energie die dit proces vereist. Dit betekent dat de waarneming van ten minste één nucleolus van antihelium een krachtig bewijs zou zijn van het bestaan van gigantische hoeveelheden antimaterie elders in het universum.
10. Mensen leren eigenlijk hoe ze ruimtevaartuigen moeten uitrusten met antimateriebrandstof, Heel weinig antimaterie kan enorme hoeveelheden energie genereren, waardoor het een populaire brandstof is voor futuristische sciencefiction-schepen.
De voortstuwing van antimaterie-raketten is hypothetisch mogelijk; de belangrijkste beperking is het verzamelen van voldoende antimaterie om dit mogelijk te maken.
Er zijn nog geen technologieën voor massaproductie of verzameling van antimaterie in de hoeveelheden die nodig zijn voor een dergelijke toepassing. Wetenschappers werken er echter aan om een dergelijke beweging en opslag van deze antimaterie te imiteren. Als we op een dag een manier kunnen vinden om grote hoeveelheden antimaterie te produceren, kan hun onderzoek ertoe bijdragen dat interstellaire reizen werkelijkheid worden.
Gebaseerd op materiaal van symmetrymagazine.org
ILYA KHEL
