Je leest:

Het heelal houdt van materie

Het heelal houdt van materie

Meer materie dan antimaterie in deeltjesversneller

Auteur: | 18 mei 2010

Het is één van de grootste openstaande raadsels in de natuurwetenschappen: waarom bestaat ons heelal voor het overgrote merendeel uit materie? Waar is alle antimaterie gebleven? Wetenschappers van het Amerikaanse Fermilab vonden een hint.

Het is zo’n mooi symmetrisch idee: ieder deeltje dat gevormd wordt krijgt tegelijkertijd een antideeltje. Dat antideeltje is precies hetzelfde als het deeltje, behalve dat het een tegengestelde lading heeft. Als een deeltje en zijn antideeltje elkaar tegenkomen heffen ze elkaar op, dat noemen we annihilatie. Maar met die symmetrie duikt één van de grootste problemen uit de kosmologie op. Tijdens de Oerknal moet immers alle nu bestaande materie gevormd zijn, uit energie. Maar als dat zo is, waarom is er dan niet evenveel materie als antimaterie in het heelal? Sterker nog: waarom hebben alle nieuw gevormde materie- en antimateriedeeltjes elkaar niet geannihileerd?

Een elektron (negatief geladen) en zijn antideeltje, het positron, botsen op elkaar. Daarbij vernietigen ze elkaar en komt een hoop energie vrij in de vorm van fotonen (lichtdeeltjes).
NASA

Blijkbaar is er een onderliggende regel bij de interactie tussen deeltjes die ervoor zorgt dat materie en antimaterie toch niet precies elkaars tegengestelde zijn. Maar wat die regel is en waar die vandaan komt is volkomen onbekend. Vandaar dat wetenschappers de praktische weg hebben gekozen om het verstoorde evenwicht te leren begrijpen: net zolang experimenteren totdat de verschillen tussen materie en antimaterie zich laten zien. Omdat we niet terug kunnen kijken naar de Oerknal vinden deze experimenten plaats in een omgeving die daar zoveel mogelijk op lijkt, een deeltjesversneller.

Deeltjesfabriek

De Tevatron-deeltjesversneller in de buurt van Chicago is één van de grootste deeltjesversnellers ter wereld. Het bijbehorende instituut Fermilab heeft al talloze interessante ontdekkingen gedaan over de allerkleinste deeltjes. En ook over materie en antimaterie vonden de Fermilab-natuurkundigen nu nieuwe aanwijzingen. De wetenschappers lieten in hun deeltjesversneller protonen en antiprotonen op elkaar botsen. Bij die botsingen komen, naast energie, nieuwe deeltjes vrij. Die deeltjes zijn muonen, een soort extra zware elektronen.

Je zou verwachten dat er bij de botsingen even vaak muonen als hun antideeltjes, antimuonen, gemaakt worden. Dat is de enige manier waarop de energie van de botsing behouden kan blijven. Maar na heel lang en nauwkeurig meten kwamen de onderzoekers van Fermilab erachter dat er toch echt meer muonen dan antimuonen ontstaan. Aan het einde van het experiment was er zelfs 1% meer materie dan antimaterie gevormd. Een klein verschil, zou je zeggen, maar als je er maar lang genoeg mee doorgaat raakt zo alle antimaterie op!

De Tevatron-versneller bij Chicago was tot voor kort de krachtigste deeltjesversneller ter wereld. De versneller werd in 1990 in gebruik genomen.
Fermilab

De asymmetrie tussen materie en antimaterie is dus aangetoond, maar waar het effect vandaan komt blijft onduidelijk. De belangrijkste theorie die de voorkeur van het heelal voor materie probeert te verklaren werd door de Rus Andrei Sakharov ontwikkeld. Deze theorie, CP violation, gaat er vanuit dat deeltjes waarvan de spin of lading wordt omgedraaid net iets meer veranderen dan je op basis daarvan zou verwachten. Er werden al eerder experimentele aanwijzingen gevonden dat Sakharov’s theorie hout snijdt. Toch is de theorie niet genoeg om alles te kunnen verklaren: de voorkeur van het heelal voor materie is namelijk veel groter dan zijn theorie uitlegt.

De wetenschappers van Fermilab wijzen daarom op een ander mechanisme dat voor de eigenaardige vondst verantwoordelijk kan zijn. Bij een proton-antiprotonbotsing worden namelijk niet direct muonen gevormd. Voor die tijd ontstaan er bijzondere deeltjes, B-mesonen. Deze deeltjes zijn berucht om hun vreemde gedrag: ze veranderen aan de lopende band van materie naar antimaterie en terug. Maar, nu komt het, het is voor B-mesonen iets makkelijker van anti-B-meson naar B-meson om te schakelen dan andersom. Vandaar dat ze zich gemiddeld iets langer als materie gedragen dan als antimaterie, en dus ook iets vaker naar gewone muonen dan naar antimuonen vervallen.

Als een proton en een antiproton (p) op elkaar botsen, vormen zich twee B-mesonen (b). Die vervallen naar andere deeltjes, waaronder muonen. Het aantal muonen en antimuonen dat op deze manier ontstaat zou volgens de normale theorieën gelijk moeten zijn.
CERN

Hoe en waarom B-mesonen hun vreemde gedrag vertonen is nog volkomen mysterieus. Daar ligt een schone taak voor de medewerkers van de Europese deeltjesversneller LHC, waar met een nog veel hogere energie en nauwkeurigheid dit soort processen bestudeerd kan worden dan bij Tevatron. De LHC is dit jaar in gebruik genomen en de experimenten zijn begonnen. Met behulp van deze belangrijke aanwijzing van Fermilab zullen onderzoekers aan de LHC ons misschien eindelijk uit kunnen leggen waarom het heelal zichzelf niet heeft opgegeten.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 mei 2010
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.