We leven in een universum waar veel materie is en over het algemeen helemaal geen antimaterie. Twee van onze lezers willen weten wat antimaterie is, en een natuurkundige geeft hun een antwoord op deze vraag.
Antimaterie. Uit dit woord ademen fascinerende boeken en films waarin schurken explosieven van antimaterie te pakken krijgen of ruimteschepen die op dergelijke brandstof reizen.
Maar wat is deze stof - wat is in wezen antimaterie?
De lezers van Wiedenskub zouden dit heel graag willen weten. Ze hebben enkele van de vele artikelen gelezen die we hebben gepubliceerd over experimenten van fysici met antimaterie, maar ze zouden graag meer willen weten.
Ten eerste moeten we duidelijk maken dat antimaterie van fysici niet moet worden verward met die antilichamen die ons bekend zijn uit de biologie en de geneeskunde. Daar zijn antilichamen (ook wel immunoglobulinen genoemd) speciale eiwitverbindingen, die deel uitmaken van de afweer van het lichaam tegen ziekten. Ze kunnen zich binden aan vreemde moleculen en zo het lichaam beschermen tegen micro-organismen en virussen.
Maar hier zullen we het niet over hebben. We namen contact op met een wetenschapper uit de wereld van de natuurkunde: Nikolaj Zinner, een docent aan de afdeling natuurkunde en astronomie aan de universiteit van Aarhus, vertelt ons graag over antimaterie.
Stof met tegengestelde lading
Promotie video:
“Al die deeltjes die, zoals we weten, in de natuur zijn, alles waaruit onze wereld bestaat, bestaan in varianten met de tegenovergestelde lading. Dit is antimaterie”, zegt Nikolai Sinner.
“Antimaterie ziet er precies hetzelfde uit en heeft dezelfde massa als gewone materie, maar heeft precies de tegenovergestelde lading. Positief geladen positronen hebben bijvoorbeeld negatief geladen elektronen. Positronen zijn antideeltjes van elektronen."
Er is dus fundamenteel niets ongebruikelijks aan antimaterie. Het is gewoon een stof met een tegengestelde lading ten opzichte van de stof in de omgeving die we gewoonlijk aantreffen. Maar waarom er zo weinig van is, is slechts een mysterie, en daar komen we later op terug.
“In het dagelijks leven komen we antimaterie niet tegen, maar het komt in veel situaties voor, bijvoorbeeld bij radioactief verval, onder invloed van kosmische straling en in versnellers. Het verdwijnt gewoon weer heel snel. Wanneer een positron een elektron ontmoet, is het resultaat pure energie in de vorm van twee hoogenergetische lichtdeeltjes - quanta.
Verdwijnt in een lichtflits
“Hier is een elektron en een positron, ze hebben tegengestelde ladingen, dus ze trekken aan. Ze kunnen heel dicht bij elkaar komen, en wanneer dit gebeurt, smelten ze samen en vormen ze twee fotonen. Dit is een gevolg van de natuurwetten, - zegt Nikolai Sinner. "De massa van twee deeltjes wordt omgezet in energie in de vorm van twee deeltjes - quanta gammastraling."
“Als je veel antimaterie had, en je zou het in contact laten komen met gewone materie, dan zou je een zeer krachtige reactie veroorzaken. En vice versa: energie kan worden omgezet in materie en antimaterie, en dat gebeurt in deeltjesversnellers."
Gebruikt in medische scanners
Het is dit fenomeen, wanneer de ontmoeting van materie en antimaterie leidt tot hun verdwijning en het vrijkomen van energie, waarschijnlijk het eerste dat de auteurs van sciencefiction fascineert.
Antimaterie speelt bijvoorbeeld een belangrijke rol in Dan Brown's Angels and Demons, en in Star Trek varen interstellaire schepen op antimaterie.
Maar in de echte wereld heeft antimaterie een vreedzamere toepassing.
De antimaterie in de vorm van positronen van het verval van radioactieve materialen wordt in ziekenhuizen gebruikt in PET-scanners (positronemissietomografie), die foto's kunnen maken van inwendige organen en daarin ongezonde processen kunnen detecteren.
'Antimaterie is dus niet zo mystiek. Dit is een deel van de natuur dat we graag gebruiken”, zegt Nikolai Sinner.
We stellen onszelf ook bloot aan antimaterie door bananen te eten. Ze bevatten kalium, dat licht radioactief is en positronen afgeeft als het vervalt. Ongeveer elke 75 minuten zendt een banaan een positron uit, die snel botst met een elektron, en ze veranderen in twee gammafotonen.
Maar dit alles is absoluut niet gevaarlijk. Om een dosis straling te krijgen die overeenkomt met wat we krijgen bij het maken van een röntgenfoto, zullen we enkele honderden bananen moeten consumeren.
Het was al voor de ontdekking voorspeld
U kunt beter begrijpen wat antimaterie is als u naar de geschiedenis van zijn ontdekking kijkt. Interessant genoeg werd het bestaan van antimaterie al voorspeld voordat het werd ontdekt.
In de jaren twintig bleek dat een nieuwe theorie, kwantummechanica genaamd, perfect was om de kleinste materiedeeltjes te beschrijven - atomen en elementaire deeltjes. Maar het was niet zo eenvoudig om de kwantummechanica te combineren met de tweede grote theorie van de 20e eeuw, de relativiteitstheorie.
De jonge Britse natuurkundige Paul Dirac haastte zich om dit probleem op te lossen en slaagde erin een vergelijking af te leiden die kwantummechanica combineert met de speciale relativiteitstheorie.
Met behulp van deze vergelijking werd het mogelijk om de beweging van een elektron te beschrijven, zelfs als zijn snelheid de lichtsnelheid benaderde.
Maar de vergelijking zorgde voor een verrassing. Hij had twee oplossingen, net als de vergelijking "x² = 4": x = 2 en x = -2 ". Dat wil zeggen, het zou niet alleen het bekende elektron kunnen beschrijven, maar ook een ander deeltje - een elektron met negatieve energie.
Ontdekt in Wilsons cel
Toen wisten ze niets van deeltjes met negatieve energie, en Paul Dirac interpreteerde zijn ontdekking als volgt: er kan een deeltje zijn dat precies hetzelfde is als een elektron, met uitzondering van de tegengestelde lading.
Als het elektron een negatieve lading heeft, dan moet er een overeenkomstig deeltje zijn met een positieve lading. Volgens berekeningen zou dezelfde regel moeten gelden voor alle elementaire deeltjes, dat wil zeggen, in het algemeen, alle deeltjes waaruit de wereld bestaat.
En zo begon de jacht op het anti-elektron. De Amerikaanse natuurkundige Carl Anderson gebruikte een mistcamera (ook wel de camera van Wilson genoemd) om sporen van deeltjes uit de ruimte te detecteren die dezelfde massa hebben als een elektron, maar met de tegenovergestelde lading.
Dit is hoe het antielectron van Dirac werd ontdekt, dat positron werd genoemd - een afkorting van "positief elektron". Vanaf dat moment werden stap voor stap nieuwe antideeltjes ontdekt.
Het universum was in het begin pure energie
Dirac suggereerde dat verre sterren - misschien wel de helft van alles wat we aan de hemel zien - uit antimaterie kunnen bestaan, niet uit materie. Dit volgt bijvoorbeeld uit zijn toespraak die hij hield terwijl hij in 1933 de Nobelprijs voor natuurkunde in ontvangst nam.
Maar vandaag weten we dat alles in het universum alleen uit materie bestaat, en niet uit antimaterie. En dit is echt mysterieus, omdat er aan het begin van het bestaan van het universum ongeveer evenveel van beide hadden moeten zijn, legt Nikolai Sinner uit.
“Als we de ontwikkeling van het heelal gaan terugspoelen, wordt de energie steeds meer. De dichtheid zal toenemen, de temperatuur zal stijgen. Ten slotte wordt alles pure energie - energiedragende of krachtdeeltjes zoals fotonen. Dit was het begin van het universum, volgens onze meest gebruikelijke kosmologische theorieën."
“En als we vanaf dit referentiepunt weer verder gaan, dan zal de energie op een gegeven moment moeten worden omgezet in materie. Het is perfect mogelijk om uit pure energie materie te creëren, maar in dit geval krijg je evenveel antimaterie als materie. Dat is het probleem - je zou van beide evenveel verwachten."
“Er moet een natuurwet zijn die verantwoordelijk is voor het feit dat er tegenwoordig meer materie is dan antimaterie. En er kan niets meer worden gezegd over deze onbalans. En dus kon deze asymmetrie worden verklaard."
Neutrinos helpen bij het oplossen van het raadsel
De grote vraag is waar men in de natuurwetten moet zoeken naar de reden voor de overwinning van materie op antimaterie. Natuurkundigen proberen dit te achterhalen door middel van experimenten.
In het CERN Research Center in Zwitserland wordt antimaterie geproduceerd en gevangen in magnetische velden, en door een reeks experimenten met antiwaterstof proberen natuurkundigen een antwoord te vinden op de vraag of materie en antimaterie exacte spiegelbeelden van elkaar zijn.
Misschien is er nog steeds een klein verschil tussen beide, met uitzondering van de lading, en dit verschil zal helpen verklaren waarom er zoveel materie in het universum is in verhouding tot antimaterie.
Beheerd om antihelium te creëren
Omdat antimaterie zeer zeldzaam is en snel verdwijnt wanneer het een stof tegenkomt, zijn er geen moleculen antimaterie in de natuur en kunnen alleen de kleinste moleculen worden gemaakt.
In 2011 slaagden Amerikaanse wetenschappers erin om antihelium te maken. Er waren geen grotere atomen.
Wij van Wiedenskab schreven veel over deze experimenten, die tot dusver aantonen dat antimaterie zich op precies dezelfde manier gedraagt als materie, wat bijvoorbeeld wordt beschreven in het artikel "Aarhus Scientist voerde de meest nauwkeurige waterstofwaterstofmetingen in de geschiedenis uit". En misschien helpt het oplossen van dit raadsel ons om elementaire deeltjes te vinden die neutrino's worden genoemd. We schreven hierover in het artikel "IJsexperiment zal het geheim van materie onthullen."
“We mogen hopen dat we het antwoord in de neutrino vinden, want we weten al dat het zich vreemd gedraagt. Er zijn hier veel hiaten in de fysica, dus het zou verstandig zijn om hier te gaan graven”, zegt Nikolai Sinner.
Antimaterie zelf is niet zo mystiek, maar natuurkundigen zijn er nog niet achter waarom er tegenwoordig zoveel meer materie dan antimaterie in het universum is. Ze werken aan deze kwestie.
Henrik Bendix
