Natuur, balans en harmonie

Lode Stevens

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. 

Wanneer materie wordt versneld tot lichtsnelheid verliest het massa die volledig wordt omgezet in energie. Het tegenover gestelde kan ook als een energie deeltje (foton) wordt vertraagd door een botsing dan wordt deze energie omgezet tot materie met een massa die deze energie vertegenwoordigd. Deze hypothese is niet in strijd met de relativiteitstheorie en verklaart waarom een zwartgat in evenwicht is met zijn materie- en energieballans. Een deeltje materie dat in een zwartgat valt wordt versneld tot de lichtsnelheid en wordt volledig omgezet in  energie, die het zwartegat verlaat via de jetstream .

 

Antimaterie