Antimaterie: sciencefiction of realiteit?

Vergelijkbare documenten
En ¼ gram is ongeveer 10 zoutkorrels. Krachtig spul dus die antimaterie!

Loesje over de de Oerknal: Eerst was er niets en toen is dat nog ontploft ook

Wordt echt spannend : in 2015 want dan gaat versneller in Gevene? CERN echt aan en gaat hij draaien op zijn ontwerp specificaties.

Het Standaardmodel. HOVO college Teylers 20 maart 2012 K.J.F.Gaemers

fragment Fantastic 4

En ik ben niet de enige, door de eeuwen heen hebben grote natuurkundigen geworsteld met het begrip massa.

Onze Aarde is in het gelukkige bezit van een dampkring. Die zorgt er niet alleen voor dat wij zuurstof kunnen inademen, maar die beschermt ons ook

Massa: misschien denkt u er alleen aan als u op de weegschaal staat. Grote natuurkundigen hebben er mee geworsteld. Mensen zoals Newton, Einstein en

Elementaire Deeltjesfysica

Figuur 12a: Groei van frankino s/neutrino s tot infrarood fotonen van het proton.

Sterrenkunde Ruimte en tijd (3)

Higgs-deeltje. Peter Renaud Heideheeren. Inhoud

7. Hoofdstuk 7 : De Elektronenstructuur van Atomen

Quantummechanica en Relativiteitsleer bij kosmische straling

Vergelijk het maar met een ijsberg: de 20% die uitsteekt boven water zien we. De 80% onder water zien we niet, maar is er wel!

Alles om je heen is opgebouwd uit atomen. En elk atoom is weer bestaat uit protonen, elektronen en neutronen.

OVERAL, variatie vanuit de kern LES- BRIEF. Tweede Fase. Het neutrinomysterie. Foto: CERN

Doet onze zon het morgen nog? D.w.z. schijnt hij morgen ook weer lekker? Als ik het publiek vraag hoe lang het duurt voor het licht van de zon op de

Een deels bestaande PowerPointpresentatie voor de cursus in de aandacht gebracht cq bewerkt door:

Doet onze zon het morgen nog? D.w.z. schijnt hij morgen ook weer lekker?

De bouwstenen van het heelal Aart Heijboer

LHCb Wat doen wij? Niels Tuning voor ET - 8 januari 2013

De lichtsnelheid kromt de ruimte. Mogelijke verklaring voor de grens van het heelal

Doet onze zon het morgen nog? D.w.z. schijnt hij morgen ook weer lekker? Als ik het publiek vraag hoe lang het duurt voor het licht van de zon op de

Het Quantum Universum. Cygnus Gymnasium

Supersymmetric Lattice Models. Field Theory Correspondence, Integrabillity T.B. Fokkema

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Majorana Neutrino s en Donkere Materie

Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd

Een mooi moment is er rond een honderdduizendste van een seconde. Ja het Universum is nog piepjong. Op dat moment is de temperatuur zover gedaald dat

(a) Noem twee eigenschappen die quarks en leptonen met elkaar gemeen hebben.

nieuw deeltje deeltje 1 deeltje 2 deeltje 2 tijd

PGO-Leidraad Algemene NatuurWetenschappen

Het atoom. CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie.

e-chrya visie door reflectie Workshop 25 mei 2014 De Wet van Een

Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur

6.4. Werkstuk door een scholier 2125 woorden 8 juni keer beoordeeld. Scheikunde. Antimaterie?

Emergente zwaartekracht Prof. Dr. Erik Verlinde

Het atoom. banner. CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie.

Higgs en de Kosmos Niels Tuning (Nikhef) 31 oktober 2013

Zoektocht naar het Higgs deeltje. De Large Hadron Collider in actie. Stan Bentvelsen

Atoom theorie. Inleiding

1 Leerlingproject: Relativiteit 28 februari 2002

Samenvatting Scheikunde H3 Door: Immanuel Bendahan

Detectie van kosmische straling

Kleinse Fles. Introductie String Zoologie Brane Worlds Zwarte Gaten

De large hadron collider: Hoe zien de eerste botsingen eruit? Ivo van Vulpen

De Broglie. N.G. Schultheiss

Thema 1 Natuurlijke verschijnselen

De ontdekking van het Higgs boson. Ivo van Vulpen

Week-end van de wetenschap, Groningen, 6 oktober 2013 Ivo van Vulpen

1 Uit welke deeltjes is de kern van een atoom opgebouwd? Protonen en neutronen.

Mkv Magnetisme. Vraag 1 Twee lange, rechte stroomvoerende geleiders zijn opgehangen in hetzelfde verticale vlak, op een afstand d van elkaar.

De Large Hadron Collider 2.0. Wouter Verkerke (NIKHEF)

Elektriciteit, wat is dat eigenlijk?

Een les scheikunde: de stof water geeft een venster op de hemel (voorbeeldles voortgezet onderwijs)

Later heeft men ook nog een ongeladen deeltje met praktisch dezelfde massa als een proton ontdekt (1932). Dit deeltje heeft de naam neutron gekregen.

Het berekenbare Heelal

Praktische opdracht ANW Zwarte gaten

Samenvatting Inleiding

Exact Periode 5. Dictaat Licht

1 Leerlingproject: Kosmische straling 28 februari 2002

Begripsvragen: Elektrisch veld

Werkblad 3 Bewegen antwoorden- Thema 14 (NIVEAU BETA)

Nederlandse Samenvatting

De golfvergelijking van Schrödinger

Inleiding stralingsfysica

In de figuur hieronder zie je een Elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(zie figuur).

EEN ONTDEKKINGSREIS NAAR HET ALLERKLEINSTE EN ALLERGROOTSTE

Hoogtepunten uit de Speciale Rela2viteit theorie van Einstein Stan Bentvelsen

Het ongrijpbare Higgs-deeltje gegrepen

Symmetie en Symmetrie. in het Standaard Model

Schoolexamen Moderne Natuurkunde

Higgs en de Kosmos Niels Tuning (Nikhef) Hoorn, 15 april 2014

Algemeen. Cosmic air showers J.M.C. Montanus. HiSPARC. 1 Kosmische deeltjes. 2 De energie van een deeltje

QUANTUMFYSICA DE EPR-PARADOX. Naam: Klas: Datum:

Sterren kijken op de bodem van de zee Aart Heijboer

Alfastraling bestaat uit positieve heliumkernen (2 protonen en 2 neutronen) met veel energie. Wordt gestopt door een blad papier.

Fluorescentie. dr. Th. W. Kool, N.G. Schultheiss

Large Hadron Collider. Werkbladen. HiSPARC. 1 Inleiding. 2 Voorkennis. 3 Opgaven atoombouw. C.G.N. van Veen

Samenvatting. (Summary in Dutch)

Elementaire Deeltjesfysica

Van atoom tot kosmos

Samenvatting Scheikunde Hoofdstuk 1 en 2

Elektriciteit. Elektriciteit

Maar nu zijn we hier. er is nog niets te zien. Dit is geen voorstelling, ik doe niet alsof en ik ben geen acteur. Ik vertel over een zoektocht.

de Kosmische Tijd, Newtoniaanse tijd voldoet niet aan eigenschappen natuurlijke tijd om stil te staan bij de tijd

Meesterklas Deeltjesfysica. Universiteit Antwerpen

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

Samenvatting Natuurkunde Ioniserende straling

Samenvatting. Wat is licht

Wetenschappelijke Begrippen

Quantumvloeistoffen voor electronen en koude atomen

QUARK_5-Thema-01-elektrische kracht Blz. 1

Kleuren. Warming-up Doel: Losmaken van lijf en stem; concentratie vergroten; richten op leraar voor de klas.

Over zonnen en zwarte gaten. Vincent Icke Sterrewacht Leiden & Alien Art

NATIONALE NATUURKUNDE OLYMPIADE. Tweede ronde - theorie toets. 21 juni beschikbare tijd : 2 x 2 uur

Uit: Niks relatief. Vincent Icke Contact, 2005

Transcriptie:

1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 -100. 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

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

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

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

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

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