© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 1
De voorspelling van antimaterie Paul Dirac voorspelde het
bestaan van het positron in 1928
Dirac’s vergelijking impliceert:
positron massa = elektron massa positron lading = +e
2 Dirac Algebra:
g
E p 2 m 2
De voorspelling van antimaterie
De enige vergelijking in Westminster Abbey?
Dirac AntiDirac
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 3
Wat is antimaterie?
e + e - Elektronen en positronen
annihileren en
produceren -straling (energie)
E = mc 2
Energie en materie zijn equivalent
Energie kan naar materie
getransformeerd worden en vica
versa.
De ontdekking van antimaterie
Anderson (1932) ontdekte het door
Dirac voorspelde positron
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 5
Antimaterie
Neem 1 gram antimaterie
Dit levert
E = 2mc
2Waarom factor 2?
= 2(0.001 kg)(3x10
8m/s)
2= 1.8 x 10
14J aan energie!!!
Energieverbruik per persoon per jaar 150 GJ/jaar = 1.5 x 10
11J/jaar
Antimaterie is meest efficiënte energiedrager
Het ATHENA experiment op CERN
CERN 1996: 9 antiatomen gemaakt
CERN experiment ATHENA in 2002: 50.000 antiatomen waterstof gemaakt
Star Trek’s warp drive?
Alle antiatomen op CERN
gemaakt in een jaar: 100 W
lamp, kwartier
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 7
Antimaterie
Voor ieder deeltje bestaat er een antideeltje.
Tegenovergestelde eigenschappen: bijvoorbeeld de lading, e
-en e
+.
Maak deeltjes en antideeltjes uit energie volgens E = mc
2.
Als een deeltje en antideeltje van dezelfde soort elkaar
ontmoeten, dan verdwijnen ze in een flits van pure energie. Dit
heet annihilatie. De vrijgekomen energie volgt ook uit E = mc
2.
Grootste versnellers staan op CERN - Geneve
Ring van 27 km omtrek
100 meter onder de grond
4 interactie punten waar protonen botsen
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 9
Elektron-positron botsingen
e
-e
+
Annihilatie produceert energie - mini Big Bang
Elektron (materie)
Deeltjes en antideeltjes worden geproduceerd
Positron antimaterie
E = mc 2
E=mc
2: creatie van Materie en Antimaterie
e e
e e Z qq
Als materie uit energie wordt gemaakt, dan wordt
er altijd evenveel antimaterie geproduceerd
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 11
Big Bang Cosmology
Evenveel materie & antimaterie
Materie domineert!
Big Bang
Expansie van sterrenstelsels
– Edwin Hubble in 1929 expansie
Big Bang Nucleosynthese
CBR – Kosmische microgolf achtergrondstraling
24% primeordial
4He
materie 0.04
kritischGamow (1948)
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 13
Ontdekking v/h nagloeien
Penzias & Wilson 1965
NRC HANDELSBLAD
Woensdag 12 februari 2003
Hubble Deep Field – overal materie
Proton/foton 1/109
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 15
Speuren naar antimaterie in het universum
Omringend universum wordt door materie gedomineerd:
– Afwezigheid van anti-nuclei in kosmische straling in ons sterrenstelsel – Geen annihilatiestraling van sterrenstelsels in botsing met antimaterie
Alpha Magnetic Spectrometer
Speuren naar antimaterie in het universum
Het zichtbare universum wordt door materie
gedomineerd!
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 17
In 1966 liet Andrei Sakharov zien dat creatie van netto baryongetal vereist:
1.Processen met schending van baryongetal (bijv. protonverval) 2.Geen evenwichtstoestand tijdens expansie van het universum 3.Schending van C en CP symmetrieen
Waar is de antimaterie gebleven?
Materie-antimaterie asymmetrie
In 1964 werd ontdekt dat het radioactive verval van
antimaterie een klein verschil vertoont met het verval van materie (CP schending).
Sindsdien is de voortgang in ons begrip erg traag geweest:
• experimenten zijn uiterst moeilijk (VU – SLAC, CERN);
• astronomie is een waarnemende wetenschap, geen experimentele (we kunnen de Big Bang niet herhalen).
MAAR we hebben geleerd dat de materie-antimaterie
asymmetrie enkel kan optreden indien er drie paar quarks
bestaan.
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 19
Nobel Price in Physics 2008
Yoichiro Nambu Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa
"for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of
quarks in nature"
"for the discovery of the mechanism of
spontaneous broken symmetry in subatomic
physics"
Evolutie met materie-antimaterie symmetrie
Uiteindelijk zal zulk een universum enkel uit fotonen bestaan
(dat is bijna het geval voor ons Universum –
kosmische microgolf achtergrond)
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 21
Misschien veranderde een in elke 10
9antiquarks in een quark tijdens de geboorte van ons Universum
Na de materie- antimaterie
annihilatie bleef een kleine hoeveelheid materie over
(ongeveer een proton voor 10
9fotonen)
Misschien veranderde een in elke 10
9antiquarks in een quark tijdens de geboorte van ons Universum
Na de materie- antimaterie
annihilatie bleef een kleine hoeveelheid materie over
(ongeveer een proton voor 10
9fotonen)
Een Universum met asymmetrie
Relatie met het heelal
• BigBang scenarium
• Gebruik
laboratorium
experimenten om de fysica wetten vast te leggen
voor de condities van het
beginnend heelal
>10
-10s na t = 0…
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 23