Antimaterie
Volgens de natuurkunde bestaat er van elk soort deeltje een antideeltje, dat een aantal fysische eigenschappen hetzelfde heeft, maar ook een aantal precies tegengesteld. Deze deeltjes, en materie die hieruit is samengesteld, heten antimaterie. Als een deeltje met zijn antideeltje botst, annihileren ze elkaar.
Inhoud |
[bewerk] Geschiedenis
In 1930 beschreef Paul Dirac in wiskundige termen het elektron zodanig dat het in overeenstemming was met de speciale relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Zijn beschrijving voorspelde dat het anti-deeltje van het elektron ook zou moeten bestaan. In 1932 werd het deeltje ontdekt door Carl Anderson. Die zag de sporen van een deeltje in een bellenvat, dat overeenkwam met een elektron, maar positief geladen bleek te zijn. Hij noemde dit deeltje dat het antideeltje van het elektron was, positron.
[bewerk] Eigenschappen
Een antideeltje heeft dezelfde massa en spin als het corresponderende deeltje. De overige eigenschappen (namelijk de behouden grootheden) zijn precies omgekeerd. Zo heeft het anti-elektron (ook positron genoemd) net als het elektron massa 0,511 MeV en spin ½, maar in afwijking daarvan leptongetal –1 en elektrische lading +1.
De bekendste deeltjes vormen de volgende paren:
-
Behouden grootheden Overige Deeltje Symbool Lading Q Leptongetal L Baryongetal B Spin J Massa (MeV) proton 
+ 1 0 + 1 1/2 938,3 antiproton 
– 1 0 – 1 1/2 938,3 neutron 
0 0 + 1 1/2 939,6 antineutron 
0 0 – 1 1/2 939,6 elektron e– – 1 + 1 0 1/2 0,511 positron (anti-elektron) e+ + 1 – 1 0 1/2 0,511 foton, gelijk aan antifoton γ 0 0 0 0 0
In deze tabel zijn de massa's uitgedrukt in mega-elektronvolt (MeV), de ladingen in de elementaire lading e, en de spin in het elementaire impulsmoment 
. Er bestaan nog meer behouden grootheden naast de hier genoemde elektrische lading (Q), leptongetal (L) en baryongetal (B):
- Charm (C) (is +1 voor onder meer het c-quark)
- Strangeness (S) (is –1 voor onder meer het s-quark)
- Top (is +1 voor onder meer het t-quark)
- Bottom (is –1 voor onder meer het b-quark).
Als een deeltje instabiel is, is zijn antideeltje dat ook, met dezelfde gemiddelde levensduur. De vervalproducten van het antideeltje zijn dan de antideeltjes van de vervalproducten van het deeltje.
Bovenstaande voorbeelden zijn fermionen, waaruit de materie is opgebouwd. Bij bosonen ligt het anders: die horen niet tot de materie of antimaterie. Zo zijn het positieve pion π+ en het negatieve π– elkaars antideeltje, maar ze komen onder dezelfde omstandigheden voor en er is geen enkele reden om het ene een deeltje en het andere een antideeltje te noemen. Het neutrale pion π0, het foton en vele andere neutrale bosonen zijn hun eigen antideeltje; ook daar heeft de term antimaterie weinig of geen betekenis.
Onder normale omstandigheden komt antimaterie niet voor. Het wordt gemaakt in het laboratorium of een deeltjesversneller, of het ontstaat bij kernreacties. Bijvoorbeeld een PET-scan wordt gemaakt met radio-actieve stoffen die een positron (anti-elektron) uitzenden ten gevolge van een kernreactie. Meestal maakt men één soort antideeltjes, maar in 2002 is het CERN gelukt antiprotonen en positronen te combineren tot anti-waterstofatomen en hun eigenschappen te bestuderen. Ze bleken zich net zoals gewone waterstof te gedragen.
[bewerk] Annihilatie
Als een deeltje en het bijbehorende antideeltje elkaar tegenkomen, kan annihilatie optreden, een proces waarbij beide deeltjes vernietigd worden.
In sommige gevallen resteert alleen de inwendige energie van de deeltjes, die manifest was als hun massa (men zegt wel dat "de volledige massa in energie wordt omgezet"). Die energie ontsnapt dan in de vorm van elektromagnetische straling. Zo vervalt een elektron-positronpaar in twee fotonen. Een gram materie met een gram antimaterie levert bij volledige annihilatie 1,8 × 1014 joule energie op, de verbrandingsenergie van ongeveer 30.000 vaten ruwe olie.
In andere gevallen levert de annihilatie allerlei deeltjes op, zoals pionen en neutrino's, waarvan een deel zelf na korte tijd weer vervalt. Bij de annihilatie van een proton-antiprotonpaar dat elkaar met lage snelheid raakt, is het resultaat in 20% van de gevallen:
.
De annihilatieproducten zijn in dit geval pionen (π), die op hun beurt na korte tijd uiteenvallen in (anti-)muonen (μ), (anti-)neutrino's (ν) en fotonen (γ). De muonen vallen daarna ook weer snel uiteen.
Omgekeerd kan, als er voldoende energie op een plaats beschikbaar is, deze gebruikt worden om een deeltje-antideeltjepaar te vormen. Ook ontstaan dit soort paren kortstondig door energiefluctuaties.
[bewerk] Antimaterie in het heelal
In het door de mens bestudeerde deel van het heelal bevindt zich bijna alleen gewone materie. Dat is opmerkelijk gezien het bovenstaande: uit het "niets" zouden materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden ontstaan. Er zijn verschillende hypothesen over de oorzaak.
- Tijdens de oerknal werd ongeveer evenveel materie als antimaterie gevormd. Er was echter iets meer materie dan antimaterie en na een grootschalig annihilatieproces bleef er alleen wat materie over. Dat is de reden dat het tegenwoordige heelal vrijwel geheel uit materie bestaat en dat er zo veel straling in het heelal is (straling afkomstig van de annihilaties).
- Een andere hypothese is dat een groot, ver verwijderd en nog niet waargenomen deel van het heelal volledig opgebouwd is uit antimaterie. Bij het ontstaan zou alle materie in één deel en de antimaterie in een ander deel terecht zijn gekomen.
In april 1997 werd ontdekt dat in het centrum van onze melkweg positronen werden gevormd. De Compton Gamma Ray Observatory van NASA ontdekte wolken van positronen.
In juli 2003 werd door een team van onderzoekers van de NASA ontdekt dat er bij gigantische explosies op de zon, de zogeheten zonnevlammen, antimaterie wordt gevormd. De onderzoekers maakten gebruik van NASA's Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) om de hoogenergetische röntgen- en gammastralen te bestuderen.
[bewerk] Trivia
- In het boek Het Bernini Mysterie van Dan Brown slagen vader en dochter Vetra erin antimaterie te produceren en op te slaan in een speciaal ontwikkelde cilinder. Deze cilinder wordt gestolen en in Vaticaanstad geplaatst als een soort bom. Het laboratorium CERN heeft een speciale webpagina geopend om uit te leggen dat dat niet kan.
