© 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 2 2E p m

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 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 = mc2 Energie en materie zijn

equivalent Energie kan naar materie

getransformeerd worden en vica versa.

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 4

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 = 2mc2 Waarom factor 2? = 2(0.001 kg)(3x108 m/s)2

= 1.8 x 1014 J aan energie!!! Energieverbruik per persoon per jaar 150 GJ/jaar = 1.5 x 1011 J/jaar

Antimaterie is meest efficiënte energiedrager

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 6

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 = mc2. 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 = mc2.

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 8

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 = mc2

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 10

E=mc2: creatie van Materie en Antimaterie

e e e e Z qq Als materie uit energie wordt gemaakt, dan wordter altijd evenveel antimaterie geproduceerd

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 11

Big Bang Cosmology

Evenveel materie & antimaterie

Materie domineert!

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 12

Big Bang Expansie van sterrenstelsels

– Edwin Hubble in 1929 expansie Big Bang Nucleosynthese CBR – Kosmische microgolf

achtergrondstraling

24% primeordial 4He

materie 0.04 kritisch Gamow (1948)

Bell Telephone Lab. in 1965

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 13

Ontdekking v/h nagloeien

1965Penzias & Wilson

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 14

NRC HANDELSBLAD

Woensdag 12 februari 2003

Hubble Deep Field – overal materieProton/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

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 16

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 universum3.Schending van C en CP symmetrieen

Waar is de antimaterie gebleven?

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 18

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"

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 20

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 109 antiquarks in een quark tijdens de geboorte van ons Universum

Na de materie-antimaterie annihilatie bleef een kleine hoeveelheid materie over (ongeveer een proton voor 109 fotonen)

Een Universum met asymmetrie

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 22

Relatie met het heelal

• BigBang scenarium

• Gebruik laboratorium experimenten om de fysica wetten vast te leggen voor de condities van het beginnend heelal>10-10 s na t = 0…

© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 23

De Big Bang

Wat er gebeurde op tijden voor 10-10 s na de Big Bang is onzeker