Antimaterie: sciencefiction of realiteit?

Transcriptie

1 1

2 De film het Bernini Mysterie was enkele jaren geleden een kaskraker in de bioscoop. De essentie van het verhaal: een fanatieke religieuze sekte steelt een blikje met ¼ gram antimaterie op CERN en dreigt daarmee het Vaticaan in Rome op te blazen. Onze held voorkomt dit en laat de antimaterie hoog boven de grond ontploffen. De kracht van de ontploffing is enorm en gelijk aan die van 10,000 ton TNT. Antimaterie: sciencefiction of realiteit? 2

3 Voor mij is antimaterie ook een geschenk. Het is namelijk de essentie van veel botsingsexperimenten op CERN. Zonder antimaterie bots je biljartballen op biljartballeen en dat is nogal suf. Eens een biljartbal, altijd een biljartbal zeg ik maar. 3

4 Je kan de biljartballen ook wat harder op elkaar knallen. Dan krijg je kapotte biljartballen. Leuk, maar veel leer je er ook niet van. 4

5 Nee, echt leuk wordt het om biljartballen op antibiljartballen te knallen. Dan gaat er letterlijk een hele wereld open. Je maakt dan bijvoorbeeld een banaan en een antibanaan! Ja echt. En die bananen zaten niet al in die biljartballeen. Je maakt hier echt nieuwe materievormen. Dat maakt mijn onderzoek zo leuk. En ook zo succesvol want zo hebben we nogal wat nieuwe materie vormen ontdekt! Allemaal mede dankzij die formule van Einstein: zodra je voldoende energie in de botsende deeltjes stopt, kan je nieuwe zware deeltjes maken! 5

6 Om die vraag te beantwoorden moeten we nog eens goed naar ons beeld van het atoom kijken. Een kleine positief geladen kern waar omheen een wolk negatief geladen elektronen vliegt. Helaas werkt dat niet! Elektronen die rondjes draaien zenden elektromagnetische straling uit (dat is in essentie wat de zendmasten in Hilversum doen) en verliezen dus energie. En voor je het weet klappen alle elektronen op de kern en dondert de hele wereld letterlijk ineen tot vrijwel niets! Het werkt dus anders. En anders heet Quantum Mechanica. En als je niet alles volgt wat nu komt, realiseer je dan dat zelfs de beroemde natuurkundige Feynman gezegd heeft: We kunnen rustig stellen dat niemand Quantum Mechanica begrijpt. 6

7 De essentie van Quantum Mechanica is onzekerheid. Zo is het bijvoorbeeld onmogelijk tegelijkertijd exact te bepalen waar een elektron zich bevindt en hoe snel hij beweegt. Het product van de onzekerheid op de plaats en de snelheid van een elektron is altijd minimaal iets d.w.z. niet nul! Voor macroscopische zaken als een auto, een mens merk je hier niets van. Maar zoiets kleins als een elektron merkt hier heel veel van! 7

8 Kijk eens naar dit verkeerde beeld van een atoom. Net zoals planeten dichtbij de zon sneller om de zon heen draaien dan de planeten ver weg; draait ook een elektron dichtbij de kern zijn rondjes sneller dan een elektron ver weg. En nu die onzekerheid in plaats en snelheid: van een elektron dichtbij de kern ken je de plaats redelijk goed namelijk dichtbij de kern. De snelheid ken je heel slecht: hij schiet namelijk met grote snelheid heen en weer. Omgekeerd van een elektron ver weg ken je de snelheid redelijk goed: heel klein. Maar je weet helemaal niet waar hij zit! Het blijkt dat er een optimale baan is waar het product van de onzekerheid op de plaats en de snelheid minimaal is. En dat is nu juist de zogenaamde grondtoestand waarin een elektron zich kan bevinden. 8

9 En nu de crux van Quantum Mechanica: zo n elektron beweegt helemaal niet om de kern. Alles wat we er van kunnen zeggen is de waarschijnlijkheid vaststellen dat hij ergens zit. Die waarschijnlijk geef ik hier weer in grijswaarden: wit is grote kans, zwart is kans nul. De kans is dus grootst het elektron hier (wijs aan) zo n 50 miljardsten van een millimeter buiten de kern te vinden. Maar hij kan dus ook best dichterbij of verder weg zitten. Het is een kans verdeling. Hij zal nooit op de kern zelf zitten. Daar is de kans nul. 9

10 Het elektron kan ook in een andere zogenaamde aangeslagen toestand zitten. Dit plaatje laat de kans verdeling zien van zo n toestand. Nu zijn er twee voorkeurs locaties: een dichtbij de kern (deze) en een verder weg (deze). In de zwarte ring daartussen zal hij nooit zitten. Vergeleken met de grondtoestand zit het elektron nu gemiddeld verder van de kern. Vandaar de naam: een aangeslagen toestand. 10

11 En hier heb je er nog een. En zo zijn er nog veel meer. Het zijn wel allemaal discrete toestanden. D.w.z. het elektron zit in een specifieke toestand. Daarom noemen we het Quantum Mechanica. Allerlei zaken zijn gequantiseerd. Niet alles is dus mogelijk. 11

12 Om een idee te krijgen van de verhoudingen. Stel de kern is deze voetbal en die plaats ik op de middenstip in de Amsterdam Arena. Het elektron bevindt zich dan in de grondtoestand typisch 15 km verderop. Ja 15 km dus ergens bij Haarlem! Oftewel: eigenlijk is alles wat wij om ons heen zien eigenlijk ontzettend leeg! 12

13 Voor we een compleet beeld kunnen geven van alle atomen moet ik nog twee vreemde maar cruciale eigenschappen van het elektron vertellen: (1) Ieder elektron draait rond. Net als een tolletje. Alleen het gekke is hij draait of linksom of rechtsom en altijd even snel. We noemen dit spin. Een elektron staat dus nooit stil maar tolt continu. Een onrustig beestje dus. (2) En elektronen zijn extreem asociaal. In de zin dat er nooit twee elektronen in dezelfde toestand bij elkaar gaan zitten. Ieder elektron zoekt zijn eigen unieke plek. 13

14 Met deze bouwregels kan je de structuur van ieder atoom in detail uitrekenen. Bijvoorbeeld die van het natrium atoom. Natrium heeft een kern met 11 protonen met daaromheen 11 elektronen. De eerste twee elektronen zitten in de grondtoestand. Eén spint linksom en één rechtsom. Daarmee is die toestand vol. De volgende twee zitten in de eerste aangeslagen toestand. Daar passen er ook twee in. De volgende zes zitten in een aangeslagen toestand als drie paartjes van twee. Het laatste elektron zit helemaal alleen en ver weg. Dat elektron wil natrium graag kwijt en daarom reageert natrium chemisch zeer heftig met b.v. water of met chloor wat juist dolgraag een extra elektron inpikt! Samen maken natrium en chloor natrium-chloride of gewoon keukenzout. Het licht dat een atoom uitstraalt bij verhitting heeft ook alles te maken met de toestanden waar de elektronen kunnen zitten. Ieder kleurlijntje hier correspondeert met een sprong van een elektron van een quantum toestand naar een andere. Voor natrium is vooral de gele kleur heel prominent. Wellicht kent u dit nog van de verlichting langs de snelweg. 14

15 Is dit nu alles? Bijna. In mijn onderzoek werken we met snelle kleine deeltjes. Dat betekent dat we zowel te maken hebben met quantum mechanica als met de relativiteitstheorie van Einstein. Dat bleek niet zo makkelijk. Dirac was de eerste die hierin slaagde. En dat lukte pas na een revolutionaire ingreep. Dirac had het probleem dat zijn theorie toestanden voorspelde met negatieve energie. Klinkt misschien niet problematisch, maar is het wel. Als de energie van een elektron oneindig negatief zou kunnen worden dan heb je een oneindige bron van energie gevonden. Zou mooi zijn voor ons (en slecht voor de elektriciteitsbedrijven). Maar dit kan natuurlijk niet. Dirac maakte gebruik van het asociale karakter van elektronen door te postuleren dat alle negatieve energie toestanden bezet zijn. Zoals in dit telraam hier. Simpel dus. Maar nu kunnen er leuke dingen gebeuren. Stel ik geef een elektron met zeg energie -100 er +200 bij. Dan verhuist hij b.v. van hier naar daar. Op het telraam Wat heb ik nu? - Eén gewoon elektron met energie +100; - Eén missend elektron met energie En nu komt het: dat missende negatieve energie elektron is niets anders als de aanwezigheid van een deeltje met tegengestelde elektrische lading en een positieve energie van +100! Oftewel een anti-elektron! Met de injectie van energie heb ik een deeltje-antideeltje paar gemaakt! 15

16 En bestaat antimaterie nu echt? Jazeker en hier is de eerste foto van een antideeltje. Dit is een zogenaamde nevelkamer. Eigenlijk hetzelfde als de condensatiesporen die u vaak van vliegtuigen ziet. De kromming komt door het magneetveld. Net zo als ik deze elektronen bundel kan laten krommen. De cruciale vraag is nu kwam het deeltje van beneden of van boven? Dat bepaalt namelijk (als je het magneetveld weet) zijn elektrische lading. En dus of het een ordinair elektron (negatieve lading) of een antielektron (positieve lading) is. Daarom had de ontdekker die witte balk in het midden gezet. Dat is een stuk lood. Als het deeltje daardoorheen gaat verliest het energie. En met minder energie kromt het spoor meer. Als u goed kijkt ziet u dat het bovenste deel van het spoor sterker gekromd is. En dus was dit de ontdekking van het anti-elektron oftewel antimaterie! 16

17 Nee, echt leuk wordt het om biljartballen op antibiljartballen te knallen. Dan gaat er letterlijk een hele wereld open. Je maakt dan bijvoorbeeld een banaan en een antibanaan! Ja echt. En die bananen zaten niet al in die biljartballeen. Je maakt hier echt nieuwe materievormen. Dat maakt mijn onderzoek zo leuk. En ook zo succesvol want zo hebben we nogal wat nieuwe materie vormen ontdekt! Allemaal mede dankzij die formule van Einstein: zodra je voldoende energie in de botsende deeltjes stopt, kan je nieuwe zware deeltjes maken! 17

18 Ik had in de eerdere colleges een aantal elementaire deeltjes de revue laten passeren. In dit college is het anti-elektron verschenen. Ook alle andere deeltjes hebben hun antipartner. Behalve de Higgs. 18

19 En kan je wat met antimaterie? Ja hoor in de meeste ziekenhuizen staat een zogenaamde PET scanner. Dat apparaat maakt pijnloos plaatjes van ons m.b.v. antimaterie. 19

20 De film: ja het kan. Maar het kost CERN wel ½ miljard jaar om die ¼ gram antimaterie te maken. En realiseer je dat dat ongeveer: 150,000,000,000,000,000,000,000 antiprotonen zijn. En dan heb ik het nog niet over de energie rekening die CERN zou moeten betalen. Bovendien stop je antimaterie niet gewoon in een flesje. Daar heb je zeer complexe opstellingen voor nodig om te vermijden dat antimaterie en materie bij elkaar komt. Want dan is het inderdaad boem. In het volgende college ga ik het laatste materie deeltje introduceren: het neutrino! 20