Antimaterie.
Elk elementair deeltje bezit een uit antimaterie bestaande partner.
Wanneer materie en antimaterie met elkaar in aanraking komen treedt er
een annihilatieproces op. Het is mogelijk dat er in ons heelal sterrenstelsels
voorkomen die volledig zijn opgebouwd uit antimaterie.
De meest fascinerende ontdekking van de fysica was dat er in de natuur
ook antideeltjes bestaan. Het was de beroemde Engelse fysicus Dirac die
het eerst de voorspelling deed dat er deeltjes bestaan met dezelfde massa
als het elektron maar met tegenovergestelde positieve lading. Deze deeltjes
- nu positronen genaamd - zijn de antideeltjes van de negatieve elektronen.
Het bestaan van het positron werd in 1932 experimenteel vastgesteld
door de Amerikaanse fysicus Anderson, en in datzelfde jaar werd door de
Engelse fysicus Chadwick het bestaan van het neutron ontdekt. Het heeft
tot 1955 geduurd, en de bouw van een speciale deeltjesversneller gevergd,
alvorens het antiproton ontdekt werd, een deeltje met precies dezelfde
massa als het proton maar met een negatieve lading.
Op de ontdekking van het antiproton volgde een systematisch onderzoek
naar de antipartners van alle deeltjes die tot dan toe bekend waren. Alhoewel
niet altijd even eenvoudig werden de experimenten keer op keer met succes
bekroond en slaagde men erin voor ieder deeltje telkens weer het bestaan
van een antideeltje ondubbelzinnig vast te stellen.
Uit experimenten blijkt dat een deeltje en een antideeltje precies
dezelfde massa maar een tegengestelde lading bezitten. Er bestaat een symmetrie
tussen deeltjes en antideeltjes. Wat wij precies het deeltje en antideeltje
noemen is strikt genomen een kwestie van afspraak en lokaal overwicht,
precies zoals de benamingen negatief en positief afspraken zijn.
Wij geven de benaming proton aan het geladen deeltje met een massa
van 938 MeV omdat dat nu eenmaal het deeltje is dat wij overwegend in de
atoomkernen van het ons onmiddellijk omringende gedeelte van het heelal
aantreffen. Dezelfde overweging geldt voor de negatief geladen elektronen.
Het bestaan van antideeltjes opent de mogelijkheid voor het bestaan
van anti-atomen, atomen met kernen opgebouwd uit negatieve protonen en
neutrale neutronen, waarrond dan positief geladen elektronen draaien. Het
was dan ook voor de fysici geen verrassing om in de loop van 1965 te vernemen
dat een groep experimentoren erin geslaagd was een antiproton en antineutron
tot een anti-deuterium kern te binden.
Ook zwaardere elementen kunnen uit anti-nucleonen worden opgebouwd.
Met dergelijke elementen zou in principe een volledige antiwereld of anti-melkwegstelsel
kunnen opgebouwd worden, volledig samen gesteld uit antimaterie. In een
dergelijke antiwereld zouden de antifysici, gesteld dat ze onze logica
willen volgen, onze protonen op grond van hun zeldzaamheid pas later ontdekt
hebben en hen de naam van antiproton toegedeeld hebben.
Dit brengt ons tot de zeer interessante vraag: "Waarom precies in onze
wereld de materievorm, die wij volgens afspraak de gewone protonen en elektronen
zijn gaan noemen met tegengestelde ladingen, die wij ook weer conventioneel
respectievelijk positief en negatief genoemd hebben, zo sterk domineert
over de variante antivorm?".
De reden ligt in het experimentele feit dat een antideeltje, in contact
gebracht met zijn deeltje, onmiddellijk tot een proces overgaat dat annihilatie
wordt genoemd. Annihilatie is een samen verdwijnen van deeltjes en antideeltjes
onder emissie van nieuwe meestal lichtere deeltjes. Na het annihilatieproces
vindt men de totale energie van het systeem, deeltje plus antideeltje,
terug onder de vorm van de massa van de gecreëerde deeltjes en de
kinetische energie voor hun beweging.
Zowel de hoeveelheid energie die vrijkomt wegens het verdwijnen van
de massa van het antideeltje en de tegenpartner, als de energie die in
de eindtoestand nodig is voor de massa van de gecreëerde lichte deeltjes,
wordt afgeleid volgens de beroemde Einstein vergelijking E = M C2 waarin
Energie = Massa maal Lichtsnelheid in het kwadraat
Wanneer een proton een antiproton ontmoet ontstaat de annihilatie echter
via een sterker wisselwerkingsproces en er komen twee of meerdere mesonen
vrij. In het geval van een elektron en een positron loopt de annihilatie
via een elektromagnetische wisselwerking, omdat dit voor deze deeltjes
de sterkste wisselwerking is die ze kunnen voelen. De vrijkomende deeltjes
zijn typisch de elektromagnetische quanta.
Uit de realiteit van deze annihilatieprocessen volgt de verklaring
waarom op aarde, of iets algemener in alle stelsels die uit ons materietype
zijn opgebouwd, geen stabiele antimaterie wordt aangetroffen. Antimaterie
die weliswaar voortdurend door de kosmische stralingsprocessen wordt gecreëerd
verdwijnt ook weer onmiddellijk na contact met de gewone materie door middel
van annihilatieprocessen. Wil de fysicus hier op aarde op controleerbare
wijze antimaterie bestuderen, dan is hij aangewezen op experimenten met
deeltjesversnellers, experimenten waarin de rol van de kosmische straling
wordt nagebootst en deze antimaterie kortstondig te voorschijn wordt geroepen
en bestudeerd.
De klassieke energie-vrijmakende exotherme processen, die de mensheid
kent en gebruikt, zijn overwegend van chemische aard. Gedurende de laatste
vijfentwintig jaar wordt er ook energie gewonnen door het splijten van
zware atoomkernen. De hoeveelheid energie die een kernsplijting uit materie
vrijmaakt is in de orde van een miljoen maal groter dan die welke uit een
zelfde hoeveelheid materie via chemische processen kan worden vrijgemaakt.
Nog meer exotherm dan de splijting is het fusieproces waarbij lichte
kernen tot zwaardere worden samengesmolten. De bij het fusieproces vrijkomende
energie wordt ook dikwijls thermonucleaire energie genoemd. Fusie werd
op aarde nog niet op controleerbare wijze gerealiseerd. Wel op explosieve
wijze, door middel van een waterstofbom. Om deze reactie te bewerkstelligen
was een splijtingsbom nodig om de reactietemperatuur te halen.
De fusie is de basis-exotherme reactie waaraan sterren, zoals onze
zon, hun energie ontlenen. Op indirecte wijze is fusie dus voor bijna alle
energie in ons universum verantwoordelijk. Deze levert typisch per gewichtseenheid
materie ongeveer vijfmaal meer vrijkomende energie dan splijting. Nog veel
meer exotherm is echter de oerkracht van het annihilatieproces, gemiddeld
1000 maal meer dan de splijting.
Er zijn vooral in de afgelopen jaren kosmologische theorieën ontstaan
die de mogelijkheid onderlijnen dat er in ons universum, misschien zelfs
in ons melkwegstelsel, sterren en/of sterrenstelsels van antimaterie zouden
kunnen aanwezig zijn. Ik wil wel vermelden dat de lichtspectra die wij
van deze antimateriesterren of sterrenstelsels waarnemen ons niet toelaten
een onderscheid te maken met de gewone materie.
Deze theorieën hebben een verklaring voor de wijze waarop tijdens
de evolutie van het universum macroscopische hoeveelheden antimaterie uit
elkaar werden gedreven en uit elkaar blijven. Zij laten de mogelijkheid
open dat er op bepaalde plaatsen in ons universum kleinere hoeveelheden
ambi-plasma zijn achtergebleven, een plasmamengsel van antimaterie en materie.
In dit mengsel zouden via annihilatieprocessen voortdurend enorme hoeveelheden
energie worden vrijgemaakt. Men heeft nagegaan dat deze energie, na een
reeks complexe tussenstappen, de biplasmazone hoofdzakelijk zou verlaten
via neutrinostraling, energetische gammastraling en radiogolven.
De neutrinostraling is wegens de geringe interactiewaarschijnlijkheid
van neutrino's moeilijk detecteerbaar. De gammastraling komt vrijwel niet
door de aardse atmosfeer. Radiogolven penetreren echter relatief gemakkelijk
door de atmosfeer en kunnen op het aardoppervlak met grote antennen worden
opgevangen.
De aantrekkelijkheid van de bovenstaande hypothese schuilt in het feit
dat er inderdaad sedert enkele jaren sterren zijn ontdekt die enorme componenten
aan radiostraling uitzenden - de zogenaamde Quasars - en dat men binnen
het kader van de klassieke fysica geen aanvaardbare verklaring ziet of
weet voor de energiebron die deze straling zou voeden. Het is mogelijk
dat deze Quasars in feite niets anders zijn dan overgebleven biplasma-Oerstof,
en hun energie ontleden aan materie-antimaterie annihilatieprocessen.
|