E p m. De voorspelling van antimaterie. Paul Dirac voorspelde het bestaan van het positron in 1928

Transcriptie

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 Dirac Algebra: 2g 2 2 E p m Prof.dr Jo van den Brand,

2 De voorspelling van antimaterie Dirac AntiDirac De enige vergelijking in Westminster Abbey? Prof.dr Jo van den Brand,

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. Prof.dr Jo van den Brand,

4 De ontdekking van antimaterie Anderson (1932) ontdekte het door Dirac voorspelde positron Prof.dr Jo van den Brand,

5 Antimaterie Neem 1 gram antimaterie Dit levert E = 2mc 2 Waarom factor 2? = 2(0.001 kg)(3x10 8 m/s) 2 = 1.8 x J aan energie!!! Energieverbruik per persoon per jaar 150 GJ/jaar = 1.5 x J/jaar Antimaterie is meest efficiënte energiedrager Prof.dr Jo van den Brand,

6 Het ATHENA experiment op CERN CERN 1996: 9 antiatomen gemaakt CERN experiment ATHENA in 2002: 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,

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. Prof.dr Jo van den Brand,

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,

9 Elektron-positron botsingen Annihilatie produceert energie - mini Big Bang e - e + Elektron (materie) Positron antimaterie Deeltjes en antideeltjes worden geproduceerd E = mc 2 Prof.dr Jo van den Brand,

10 E=mc 2 : creatie van Materie en Antimaterie ee e e Z qq Als materie uit energie wordt gemaakt, dan wordt er altijd evenveel antimaterie geproduceerd Prof.dr Jo van den Brand,

11 Big Bang Cosmology Evenveel materie & antimaterie Materie domineert! Prof.dr Jo van den Brand,

12 Big Bang Expansie van sterrenstelsels Edwin Hubble in 1929 expansie Big Bang Nucleosynthese CBR Kosmische microgolf achtergrondstraling 24% primeordial 4 He materie 0.04 kritisch Gamow (1948) Bell Telephone Prof.dr Jo van den Brand, Lab in

13 Ontdekking v/h nagloeien 1965 Penzias & Wilson Prof.dr Jo van den Brand,

14 NRC HANDELSBLAD Hubble Deep Field overal materie Proton/foton 1/10 9 Woensdag 12 februari 2003 Prof.dr Jo van den Brand,

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,

16 Speuren naar antimaterie in het universum Het zichtbare universum wordt door materie gedomineerd! Prof.dr Jo van den Brand,

17 Waar is de antimaterie gebleven? 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 Prof.dr Jo van den Brand,

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,

19 Nobel Price in Physics 2008 Yoichiro Nambu Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa "for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics" "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature" Prof.dr Jo van den Brand,

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,

21 Een Universum met asymmetrie Misschien veranderde een in elke 10 9 antiquarks in een quark tijdens de geboorte van ons Universum Na de materieantimaterie annihilatie bleef een kleine hoeveelheid materie over (ongeveer een proton voor 10 9 fotonen) Prof.dr Jo van den Brand,

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,

23 De Big Bang Wat er gebeurde op tijden voor s na de Big Bang is onzeker Prof.dr Jo van den Brand,