Skip to content
Home » Vier (meer) dingen die je misschien niet weet over antimaterie

Vier (meer) dingen die je misschien niet weet over antimaterie

    Illustration of a colorful hand and transparent hand bumping fists

    Antimaterie: het is het tegenovergestelde van wat we gewend zijn; het is mysterieus ongrijpbaar; en wanneer het te dicht bij gewone materie komt, vernietigen de twee bij contact.

    Maar er is nog meer aan de buitengewone dingen, waaronder deze vier fascinerende feiten.

    Illustratie van drie deeltjes in een boot die drijft in een zee van quarks

    Illustratie door Sandbox Studio, Chicago met Kimberly Boustead

    Alle atomen bevatten antimaterie

    De eerste drie subatomaire deeltjes waarover je ooit hebt gehoord, waren waarschijnlijk het proton, het neutron en het elektron. Deze deeltjes vormen de atomen die ons lichaam en de wereld om ons heen vormen.

    Van de groep is alleen het elektron elementair, wat betekent dat het niet uit kleinere componenten bestaat. Protonen en neutronen daarentegen zijn elk opgebouwd uit elementaire deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd.

    Protonen en neutronen worden gewoonlijk beschreven als zijnde samengesteld uit drie quarks. Maar de realiteit is veel rommeliger dan dat. Protonen en neutronen bevatten hele zeeën van quarks, antiquarks en gluonen. Binnen een proton of een neutron botsen deeltjes en antideeltjes voortdurend en vernietigen ze elkaar.

    Van protonen en neutronen wordt beschreven dat ze uit slechts drie quarks bestaan, omdat binnen deze maalstroom van verschijnende en verdwijnende deeltjes drie quarks overblijven zonder een antimaterie-tegenhanger, zegt Beatriz Gato-Rivera, een onderzoeker bij de Spaanse Nationale Onderzoeksraad en auteur van een boek over antimaterie. De antimaterieversies van protonen – antiprotonen – bevatten in plaats daarvan drie ongepaarde antiquarks.

    Antimaterie is overal om je heen, in elk van je atomen, samen met de atomen van alles om je heen.

    Illustratie van Paul Dirac en Carl Anderson

    Illustratie door Sandbox Studio, Chicago met Kimberly Boustead

    Antimaterie werd oorspronkelijk voorspeld door middel van wiskunde

    In 1928 stond de Britse natuurkundige Paul Dirac voor een puzzel. Om het gedrag van elektronen te beschrijven, had hij een theorie geformuleerd die de speciale relativiteitstheorie van Einstein en de kwantummechanica combineerde. Maar om zijn wiskundige vergelijkingen te laten werken, had hij een deeltje nodig waarvan op dat moment niet bekend was dat het bestond. Het nieuwe deeltje moest dezelfde massa hebben als een elektron, maar de tegenovergestelde lading.

    Drie jaar later stelde hij eindelijk het bestaan ​​van zo’n deeltje voor, dat hij een ‘anti-elektron’ noemde.

    Datzelfde jaar nam de Amerikaanse natuurkundige Carl Anderson van het California Institute of Technology foto’s van vreemde deeltjessporen achtergelaten door kosmische straling die een deeltjesdetector doorkruisen die bekend staat als een wolkenkamer. In 1932 bevestigde Anderson dat de sporen afkomstig waren van de deeltjes die Dirac had voorspeld, geproduceerd toen kosmische straling in botsing kwam met de atmosfeer van de aarde. Anderson noemde de deeltjes ‘positronen’. Dit was de eerste bevestigde waarneming van antimaterie.

    Ongebalanceerde wiskundige vergelijkingen hebben ook geleid tot de voorspelling van andere deeltjes. Tijdens het begin van de 20e eeuw konden de massa’s en stabiliteit van atomen niet alleen worden verklaard door hun protonen en elektronen. Ernest Rutherford stelde voor dat een ander, neutraal deeltje hun gewicht moet vergroten: het neutron. En in 1930 hadden wetenschappers iets nodig om uit te leggen waarom kernen die tijdens radioactief verval energie uitzonden in de vorm van bètadeeltjes, niet recht terugdeinsden, maar onder een hoek. Wolfgang Pauli stelde voor dat het verval tegelijkertijd een ander, onzichtbaar deeltje moet uitzenden – een deeltje dat later het neutrino wordt genoemd.

    Wetenschappers zijn momenteel op zoek naar andere deeltjes, waaronder axionen, supersymmetrische deeltjes en donkere materiedeeltjes, die veel langdurige puzzels in de deeltjesfysica en kosmologie zouden kunnen verklaren.

    Illustratie van deeltjes die een pijp binnenkomen met a "snelheid verminderen" teken hierboven

    Illustratie door Sandbox Studio, Chicago met Kimberly Boustead

    Wetenschappers kunnen hybride atomen maken die gedeeltelijk uit antimaterie zijn gemaakt

    Door antiprotonen in een deeltjesvertrager te vertragen en ze vervolgens te combineren met cryogeen helium, kunnen wetenschappers een metastabiel hybride atoom produceren dat anti-protonisch helium wordt genoemd.

    Dergelijke hybride atomen worden ‘exotische’ atomen genoemd. Over het algemeen heeft een exotisch atoom een ​​samenstellend deeltje dat is verwisseld voor een ander deeltje met dezelfde lading. In sommige gevallen is het nieuwe deeltje een vorm van antimaterie. In anti-protonisch helium wordt het elektron van een heliumatoom vervangen door een antiproton. Andere voorbeelden zijn muonium (dat een antimuon en een elektron bevat) en positronium (dat een elektron en een positron bevat).

    Exotische atomen worden gebruikt om interacties tussen materie en antimaterie op minuscule schaal te bestuderen. De korte-schaal interacties tussen de deeltjes en antideeltjes binnen atomen stellen onderzoekers in staat om fenomenen te bestuderen die anders misschien niet zouden worden onderzocht.

    “Deze interacties op korte schaal zijn een belangrijk hulpmiddel bij het zoeken naar nieuwe fysica”, zegt Anna Soter, deeltjesfysicus aan de ETH Zürich.

    Wetenschappers tasten exotische atomen af ​​om te zoeken naar tekenen van een ongewone “vijfde kracht” tussen het antiproton en het elektron. Wetenschappers gebruiken ook exotische atomen om zeer nauwkeurige metingen van de eigenschappen van deeltjes te verzamelen. Dit stelt hen in staat om symmetrieën in het standaardmodel te testen, zoals de voorspelling dat deeltjes en hun antideeltjes exact dezelfde massa en lading zouden moeten hebben (zij het met het tegenovergestelde teken).

    “Tot op heden is het metastabiele antiprotonische heliumatoom het grootste antimateriebevattende exotische atoom dat wetenschappers met laserspectroscopie hebben kunnen bestuderen”, zegt Soter. “Maar ook eenvoudigere systemen, zoals muonium en positronium, zijn interessant om te bestuderen. Deze atomen bestaan ​​alleen uit elementaire deeltjes, bij gebrek aan sterke interactie.”

    Naast het maken van hybride deeltjes, kunnen wetenschappers ook anti-atomen maken. Door bijvoorbeeld antiprotonen en positronen te combineren, produceren wetenschappers van CERN anti-waterstof.

    Illustratie van een waarschuwingsbord dat in de ruimte zweeft in de buurt van een stroom deeltjes

    Illustratie door Sandbox Studio, Chicago met Kimberly Boustead

    Wetenschappers hebben meer antimaterie in onze melkweg gevonden dan ze momenteel kunnen verklaren

    In de jaren zeventig ontdekte de INTEGRAL-missie van het European Space Agency een gammastralingssignaal in het centrum van de Melkweg. De helderheid en distributie van dit signaal gaven aan dat het equivalent van 9 biljoen kilogram positronen (dat is 1043 positronen) in de kern van onze melkweg werden elke seconde vernietigd – veel meer dan wetenschappers hadden verwacht.

    Waar al deze positronen vandaan komen is een open vraag. Enkele kandidaten zijn het superzware zwarte gat in het centrum van de melkweg, andere massieve zwarte gaten in de buurt, snel ronddraaiende neutronensterren die pulsars worden genoemd, en annihilaties tussen donkere materiedeeltjes.

    Verschillende experimenten hebben tot doel de bron van de gammastraling in het centrum van onze melkweg te lokaliseren. De Compton Spectrometer and Imager (COSI), bijvoorbeeld, is een gammastralingstelescoop die de kern van ons melkwegstelsel in beeld zal brengen om te zoeken naar de bron van deze positronen. Andere inspanningen, zoals het voorgestelde All-sky Medium Energy Gamma-ray Observatory (AMEGO), zijn ook bedoeld om licht te werpen op dit mysterie.

    Meer recent ontdekten wetenschappers een tweede overmaat aan positronen, deze met veel hogere energie. De kosmische stralingsdetector PAMELA, aan boord van een Russische satelliet, ontdekte in 2008 dat er meer antimateriedeeltjes langs de aarde reisden dan wetenschappers oorspronkelijk hadden voorspeld. Andere experimenten, zoals AMS-02, geïnstalleerd op het internationale ruimtestation ISS in 2011, hebben de bevinding van de PAMELA-samenwerking bevestigd.

    waar doen stelling extra positronen vandaan? Er zijn verschillende hypothesen naar voren gebracht. Volgens Tim Linden, een astronoom aan de Universiteit van Stockholm, zijn de pulsars misschien wel de sterkste kanshebbers.

    Wetenschappers hebben gammastraling van pulsars bestudeerd om erachter te komen hoeveel positronen de sterren afgeven. “We krijgen cijfers die heel goed overeenkomen met modellen waarbij pulsars de overtollige positronen zouden produceren die we zien”, zegt Linden.

    Voor meer feiten over antimaterie, zie tien dingen die je misschien niet weet over antimaterie.