Het
geheim van materie doorgrond
Materie
bestaat omdat materie zich ietsje anders gedraagt
dan anti-materie - 15-05-2001
In
de Oerknal werden gelijke hoeveelheden materie en antimaterie gecreëerd,
zo zegt de theorie. Maar hoe komt het dan dat beide elkaar niet weg
hebben gereageerd, en dat er nog voldoende materie overblijft om melkwegen,
sterrenstelsels, de aarde en ons allen te vormen? Omdat er iets bestaat
als directe ‘CP Violation’, zo heeft men in het CERN aangetoond.
Materie
en antimaterie
CERN,
het in Zwitserland gevestigde Europese Instituut voor Nucleair Onderzoek
en het grootste onderzoekscentrum voor deeltjesfysica ter wereld,
is erin geslaagd één van de best bewaarde natuurgeheimen te ontsluieren:
hoe het komt dat we bestaan. Want ook al zien we genoeg materie om
ons heen, dat het bestaat leek lange tijd een onoplosbaar natuurkundig
raadsel.
Het bestaan van antimaterie volgde uit een formule die de natuurkundige
Paul Dirac neerschreef
om het gedrag van een elektron te beschrijven. Zijn prestatie leverde
hem in 1933 een Nobelprijs op, maar ook een boel theoretische problemen,
want zijn vergelijking leverde twee uitkomsten op. Dat betekende dat
naast een elektron ook een anti-elektron (positron) moest bestaan.
Het grote verschil is dat antimaterie een electrische lading heeft
die tegengesteld is aan die van materie. Verder hebben beide dezelfde
massa en levensduur, waarbij het laatste de tijd is vooraleer een
deeltje uiteenvalt in minder massieve deeltjes.
Tijdens de oerknal zouden zowel materie als antimaterie zijn aangemaakt,
in gelijke hoeveelheden. Maar als een deeltje
zijn anti-partner tegen het lijf loopt, zorgt dat voor een vurige
ontmoeting waarbij beiden volledig worden omgezet in fotonen - energie
dus - en waarmee eer betuigd wordt aan Einsteins E=mc2.
Hoe komt het dan dat dat niet gebeurd is? Men moet immers geen bijzonder
nauwkeurig waarnemer zijn om vast te stellen dat nog heel wat materie
is overgebleven. Het heelal bestaat er immers uit, en wijzelf ook.
Het heelal waarin wij leven heeft dus een duidelijke voorkeur laten
blijken voor materie, en antimaterie is het achtergestelde broertje
geworden, dat zich enkel nog laat zien in kosmische stralen en gigantische
deeltjesversnellers.
Dirac opperde dan wel dat er misschien hele sterrenstelsels uit antimaterie
bestaan, het lijkt er niet op dat deze voorspelling correct was. Antimaterie
is erg zeldzaam, materie is dat wat minder. Om precies te zijn: voor
elke 1.000.000.000 antideeltjes zijn er 1.000.000.001 deeltjes. Het
ene extra deeltje blijft over, terwijl materie en antimaterie elkaar
opheffen en 1.000.000.000 fotonen achterlaten voor elk vroeger deeltje.
Een
schending van de symmetrie
De oplossing van dat raadsel schuilt hem in een breuk in de symmetrie
tussen materie en antimaterie, de zogenaamde ‘CP
violation’. Dat is één van de voorwaarden die in 1964 door Andrei
Sakharov werden aangeduid om het onevenwicht tussen materie en
antimaterie te verklaren. C en P staan hierbij respectievelijk voor
Charge (lading) en Parity (pariteit), wat twee symmetrische eigenschappen
zijn van deeltjes. In feite zijn het antwoorden op “Wat als... ?”-vragen:
"Wat gebeurt er als we de botsing van twee deeltjes in een spiegel
bekijken die alle drie spatiale coördinaten omkeert (P)?" en "Wat
gebeurt er als we alle deeltjes vervangen door antideeltjes (C)?"
Als er symmetrie is gebeurt er in deze gevallen precies hetzelfde,
maar als er geen symmetrie is, dan is er sprake van ‘CP violation’.
In 1964 bestudeerde men er in het Brookhaven
National Laboratory het K-meson (K), een instabiel deeltje dat
enkel in deeltjesversnellers kan bestaan, waar ze in hoog-energetische
botsingen als K en anti-K duo’s ontstaan. Het deeltje is u misschien
beter bekend onder de naam kaon . Daar moest men vaststellen dat deze
duo’s zich niet altijd gedroegen zoals verwacht.
Praktisch gezien kunnen K en anti-K elk worden beschreven als een
combinatie van twee andere deeltjes, K1 en K2. K1 is dan een deeltje
met een kort leven, dat al snel uiteenvalt in twee andere deeltjes,
pionen genoemd. K2 is daarentegen een langer leven beschoren, tot
het uiteindelijk desintegreert in drie pionen.
In het laboratorium stelde men echter vast dat heel af en toe een
K2 in een K1 verandert, waarna het in twee pionen uit elkaar valt.
Dat verbreekt de symmetrie al, zij het op een indirecte manier, omdat
het de manier beinvloedt waarop de K’s mixen, niet de manier waarop
K zelf desintegreert. Een directe ‘CP violation’ zou betekenen dat
een K2 direct in twee, in plaats van drie, pionen uiteen valt. In
1973 toonden twee Japanse fysici aan hoe dit in een theoretisch raamwerk
valt in te passen, maar op het definitieve bewijs dat er zoiets bestaat
als directe ‘CP violation’ is het dan nog even wachten.
Twee onderzoeksprojecten, NA48
bij het CERN en KTeV
in het Fermilab (Chicago), namen de taak op zich voor harde bewijzen
te zorgen. In 1993 waren er enkele successen, maar de resultaten bleven
dubieus. In Zwitserland is men er nu dan toch in geslaagd 20 miljoen
CP schendende voorbeelden te vinden van langlevende kaonen die in
twee pionen uit elkaar vallen. Met deze gegevens sloegen de Cern-wetenschappers
erin het verschil tussen het verval van K en anti-K tot op een miljoenste
nauwkeurig te berekenen, een statistisch significant resultaat dat
onomstootbaar aantoont dat directe 'CP violation bestaat. Dat betekent
dat er wel degelijk een klein verschil is in de manier waarop K en
anti-K uit elkaar vallen. Een klein verschil, maar we hebben al wat
bestaat er aan te danken.
(DdV)
Aansluitende artikels:
Astronomen
luisteren naar muziek van de schepping - 02-05-2001
Extra
dimensies laten zich niet vangen - 14-02-2001
Natuurkunde
op stelten - 09-02-2001
Licht
bij de lurven gevat - 18-01-2001
Related links:
Multmedialezingen
over ‘CP violation’
Op
deeltjesavontuur
antimaterie
©
David de Vaal
