Meer
bewijs dat het universum bestaat
Materie
en antimaterie zijn elkaars tegengestelde, maar niet helemaal - 10-07-2001
Meer
dan 600 wetenschappers en ingenieurs van 75 instituten waren ervoor
nodig, maar nu de resultaten binnen zijn, blijkt dat men er in Californië
in geslaagd is een tweede voorbeeld van CP violation te vinden. Daarmee
wordt opnieuw aangetoond dat er in het heelal materie te vinden is.
Dat mag voor de meesten onder ons dan wel een gegeven zijn, fysici
wisten lang niet hoe het bestaan van materie natuurkundig verklaard
kon worden.
Toen
Paul Dirac in 1928 een formule uitdokterde om het gedrag van een elektron
te beschrijven, had dat vreemde gevolgen. Uit de formule bleek immers
dat er iets moest bestaan als antimaterie,
deeltjes met eenzelfde massa en levensduur als hun tegenhangers, maar
met een omgekeerde elektrische lading en nog enkele meer obscure verschillen.
Wie dan wil nagaan hoe het heelal tot stand is gekomen, stuit al snel
op problemen. Materie en antimaterie werden tijdens de Oerknal immers
in gelijke hoeveelheden aangemaakt. Maar als een deeltje haar antideeltje
ontmoet, elimineren zij elkaar en blijft enkel energie over. Einsteins
E=mc2 in actie als het ware, maar hoe het komt dat materie
en antimaterie elkaar niet volledig hebben opgeheven is een vraag
die lang niet beantwoord kon worden. Dat er materie is overgebleven
valt natuurlijk moeilijk te ontkennen, maar natuurkundigen zaten jarenlang
met de handen in het haar omdat het bestaan van alles wat we zien
en zijn een fysische anomalie scheen te zijn.
Er moest dus een onevenwicht zijn tussen materie en antimaterie dat
ervoor zorgt dat er na de Oerknal en het daaropvolgende verdelgingsspel
tussen deeltjes en antideeltjes toch wat materie overblijft. De dissidente
Russische natuurkundige Andrei
Sakharov stelde een mechanisme voor dat dit onevenwicht kon verklaren
en de notie ‘Charge-parity violation’ in het leven riep, schending
van lading en pariteit en dus van de symmetrie van deeltjes en antideeltjes.
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’. Tot medio jaren
’60 was er maar één bewijs voor het bestaan van CP violation: het
feit dat het heelal en alles wat erin zit bestaat. Bewijs waar men
moeilijk omheen kan, maar dat weinig extra inzichten oplevert. Daar
kwam verandering in toen men in het Brookhaven
National Laboratory ontdekte dat een bepaald deeltje, het K-meson,
net iets anders vervalt dan de tegenhanger ervan. Goed, het was op
dat moment enkel een indirecte vorm van CP violation – pas recent
werd aangetoond dat het K-meson ook onderhevig is aan directe CP violation
– maar eindelijk had men een concreet deeltje gevonden dat een zekere
asymmetrie vertoont.
37 jaar lang zocht men tevergeefs naar andere voorbeelden, maar het
K-meson leek het enige deeltje te zijn waarvan men het asymmetrisch
gedrag kon nagaan in deeltjesversnellers. Bovendien was er nog een
probleem: het Standaardmodel – de dominante theorie over het gedrag
van elementaire deeltjes en hun onderlinge interactie - kan niet verklaren
waarom er zo veel materie is overgebleven. Wie op basis van dit model
uitrekent hoeveel materie er aanwezig zou moeten zijn, komt op een
veel te laag cijfer uit. Er schort dus wat aan het Standaardmodel,
maar wat precies is nog niet duidelijk. Ook de doorbraak met het K-meson
bezorgde het Standaardmodel geen problemen, want CP violation bij
dit deeltje kon er makkelijk in opgenomen worden.
Dus toog de natuurkundige gemeenschap aan het werk om na te gaan of
de verklaring van CP violation die in het standaardmodel past, wel
klopt. Twee experimenten werden met dit doel voor ogen opgestart:
één in het Stanford Linear
Accelerator Center (SLAC) in Californië en een ander in Japan,
aan het National Laboratory for High
Energy Physics . Beide kwamen al met voorlopige resultaten naar
buiten, maar het SLAC is het eerste instituut dat definitieve uitspraken
doet over het bestaan van CP violation bij andere deeltjes dan het
K-meson. De resultaten werden pas voorgelegd aan het prestigieuze
tijdschrift Physical Review Letters. De conclusie van de betrokken
wetenschappers: We hebben CP violation vastgesteld bij een ander deeltje,
maar het Standaardmodel blijft voorlopig overeind.
Het deeltje waarvoor in de deeltjesversneller van het SLAC asymmetrie
werd vastgesteld is het B-meson. Tijdens het experiment werden miljoenen
B-mesons en anti-B-mesons gecreëerd. Anti-B’s worden ook B-bars genoemd,
wat de betrokkenen op het idee bracht het experiment BaBar te noemen,
naar een cartoon-olifantje. Het uiteindelijke doel was het berekenen
van een getal dat sin2b wordt genoemd en dat een maat vormt voor de
discrepantie tussen het gedrag van een B-meson en een B-bar. Is de
waarde voor sin2b gelijk aan nul, dan is er perfecte symmetrie en
gedragen beide deeltjes zich net hetzelfde. Wijkt het getal echter
van nul af, dan vervalt het B-meson anders dan een B-bar, en is er
sprake van CP-violation. Bovendien voorspelde het Standaardmodel dat
in geval van asymmetrie sin2b ongeveer 0,7 zou zijn.
Om elke vorm van vooringenomenheid te vermijden, werd het voorlopige
cijfer voor sin2b lange tijd gecodeerd, zodat de medewerkers niet
wisten hoe het experiment verliep. Toen eind juni de versleuteling
werd weggenomen, kwam het resultaat op het scherm: sin2b=0,59 . Dat
is dicht genoeg tegen 0,7 om het standaardmodel vrijuit te laten gaan
en toont aan dat CP violation niet alleen optreedt bij K-mesons maar
ook bij B-mesons en hun antideeltjes.
Zo is na 37 jaar eindelijk een tweede voorbeeld gevonden van het feit
dat materie en antimaterie niet helemaal elkaars tegengestelde zijn.
Daarmee lijkt alvast de vraag beantwoord te zijn of de eerder vastgestelde
asymmetrie tussen K-mesons en anti-K-mesons een natuurlijke wet is
of een onverklaarbare en op zichzelf staande eigenaardigheid. Maar
met het onderzoek zijn alle problemen de wereld nog niet uit, want
men kan nog steeds niet verklaren hoe het komt dat er zo veel materie
aanwezig is. De onderzoekers die bij BaBar betrokken zijn gaan dus
door, op zoek naar de scheuren in het standaardmodel.
(David
de Vaal)
Aansluitende artikels:
Het
geheim van materie doorgrond – 15-05-2001
Astronomen
luisteren naar muziek van de schepping - 02-05-2001
Extra
dimensies laten zich niet vangen - 14-02-2001
Related links:
CP
violation
Andrei
Sakharov
Antimaterie
Stanford
Linear Accelerator Center
National
Laboratory for High Energy Physics (KEK)
Brookhaven
National Laboratory
©
David de Vaal
