Je leest:

Antiprotonen op tap

Antiprotonen op tap

Auteur: | 1 februari 2005

Natuurkundigen van het onderzoekscentrum CERN in Génève hebben een manier gevonden om antiprotonen na hun explosieve ontstaan tot rust te brengen. Eenmaal afgeremd kunnen de deeltjes worden gebruikt in verder onderzoek.

Antimaterie maken is geen eenvoudige klus. Natuurkundigen in Génève, maar ook in Japan en de V.S. hebben er krachtige deeltjesversnellers voor nodig. Zelfs die kunnen ‘maar’ twintigduizend deeltjes in één keer aanmaken. Dat lijkt veel, maar één druppel water bevat al 16 biljard moleculen! De productiesnelheid moet dus omhoog om op grote schaal met antimaterie te experimenteren. Yasunori Yamazaki wist een CERN-experiment zo aan te passen dat het nu vijftig keer zoveel antiprotonen oplevert.

Proton (+) en antiproton (–) botsen en vernietigen elkaar. De energie komt hier vrij als twee fotonen (lichtdeeltjes). Die dragen met zijn tweeën evenveel energie als uit de massa van het proton en antiproton vrijkwam en liggen in het gammadeel van het spectrum, de krachtigste straling die er bestaat.

Bij het CERN in Génève onderzoeken natuurkundigen hoe materie en anti-materie zich op het allerkleinste niveau, dat van de subatomaire deeltjes, gedragen . Ze maken er bijvoorbeeld antiprotonen door met een bundel supersnelle protonen op een plaat van het metaal iridium te schieten. Elk schot van het AD ( Antiproton Decelerator-experiment) levert miljoenen antiprotonen op die met bijna de lichtsnelheid uit de botsingsplek komen zetten. Om ze voor verder gebruik te bewaren moeten de onderzoekers de deeltjes eerst afremmen. Daarbij worden metalen folies gebruikt. Botsingen in de folies zorgen dat veel antiprotonen verloren gaan.

Natuurkundige Yasunori Yamazaki en zijn collega’s vervingen AD’s metaalfolies door een serie elektrische remvelden. Die velden zijn niet constant, maar wisselen miljoenen malen (met radiofrequentie) per seconde van sterkte. In het steeds wisselende remveld raken de antiprotonen hun energie kwijt en worden ze afgeremd tot ver onder de lichtsnelheid. Daarna slaan CERN’s wetenschappers de antideeltjes op in een speciale opslagring waarin ze wachten op verder onderzoek.

Door Yamazaki’s vondst levert de AD nu vijftig keer méér antiprotonen op dan voorheen: de . Met de verbeterde bron van antiprotonen kunnen natuurkundigen allerlei eigenschappen van antimaterie gaan testen. Bijvoorbeeld hoe ze reageren op elektrische velden, hoeveel energie ze als interne trillingen van de samenstellende quarks op kunnen slaan, enzovoorts. Die eigenschappen zijn gelukkig niet te meten door het spiegelbeeld van experimenten met materie te nemen, anders zouden wij niet eens bestaan…

De Antiproton Decelerator in CERN. Door Yamazaki’s aanpassingen levert de opstelling nu vijftig keer zoveel antiprotonen op als voorheen. Elektrische velden die met radiofrequentie (miljoenen tot miljarden cycli per seconde) van sterkte wisselen remmen de antiprotonen uit de versneller af tot ze handelbaar zijn. Voorheen gebeurde dat met speciale metaalfolies, waar veel antiprotonen in verloren gingen. bron: CERNKlik op de afbeelding voor een grotere versie.

Net geen spiegelbeeld

Antimaterie is – op de massa na – het tegenovergestelde van de normale materie waaruit zon, aarde, sterren, u en ik zijn opgebouwd. Als een deeltje met zijn antideeltje in aanraking komt vernietigen ze elkaar, maar tot die tijd zijn antiprotonen zo stabiel als wat. Vreemd eigenlijk dat er zo weinig van zijn – en zo veel normale protonen. Bij de Big Bang moeten ze toch in gelijke hoeveelheden zijn ontstaan – en vernietigd. Waar komt het materieoverschot vandaan?

Botsen twee elementaire deeltjes, dan maken ze een hoop energie vrij. Niet alleen de energie uit hun rustmassa (de m uit Einstein’s E = mc2) maar ook alle bewegingsenergie die ze door hun onderlinge beweging hadden. Energie (er is trouwens geen anti-energie) is de bouwstof voor zowel materie als antimaterie. De kans dat uit de energie van een botsing tussen elementaire deeltjes materie ontstaat is alleen nét iets groter dan de kans op antimaterie. De twee materie’s zijn door die lichte voorkeur geen exacte spiegelbeelden.

Ook al ontstond er tijdens de Big Bang evenveel materie als antimaterie, tijdens talloze botsingen tussen de twee soorten sloeg de vrijgekomen energie steeds vaker neer als materie. Het eindresultaat is een heelal dat gevuld is met materie. Alleen in de diepe ruimte, ver van alle materie, wil nog weleens een eenzaam anti-deeltje rondzwerven.

Antimaterie is exotisch, maar niet per se ver van ons bed. Een medische PET-scanner (Positron Emission Tomography) gebruikt antimaterie om diep in het lichaam te kijken. De patiënt krijgt een injectie van een suiker (bijvoorbeeld glucose) waar een radioactief atoom Fluor (18Fom precies te zijn) aan is gehangen. Als zo’n instabiele fluorkern uit elkaar valt, komt een anti-elektron vrij: een positron. Dat botst met een van de talloze elektronen in het lichaam en zendt twee fotonen uit. Artsen kunnen met dat signaal meten waar het fluor in het lichaam was ten tijde van het verval. Lokaties waar veel energie in de vorm van glucose wordt verbruikt worden zo zichtbaar.

In overtreding

Natuurkundigen hebben het verschil tussen materie en antimaterie Charge-Parity-violation genoemd, CP-schending in het Nederlands.. Volgens de kwantumveldentheorie van elementaire deeltjes is een antideeltje hetzelfde als een normaal deeltje met alle eigenschappen omgekeerd: positief wordt negatief en omgekeerd. Alleen de massa ontkomt daaraan: negatieve massa bestaat nou eenmaal niet.

Naast de CERN-wetenschappers doen ook de internationale BaBar onderzoeksgroep bij het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in de V.S. en de Belle-groep bij het Japanse KEK-laboratorium onderzoek naar CP-schending. Dat die schending van het succesvolle Standaard Model er is staat als een paal boven water, maar een verklaring is er nog niet. Natuurkundigen denken dat die verklaring van buiten het Standaard Model moet komen, bijvoorbeeld uit de String-theorie.

bron: N Kuroda et al. 2005 Phys. Rev. Lett. 94 023401

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 februari 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.