Presentation Template for Acies Holding BV

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:
          2 g 
 E   p 2  m2
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 1
De voorspelling van antimaterie
Dirac
AntiDirac
De enige vergelijking in
Westminster Abbey?
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 2
Wat is antimaterie?
e+
e-
E=
Elektronen en positronen
annihileren en
produceren -straling
(energie)
2
mc
 Energie en materie zijn equivalent
 Energie kan naar materie
getransformeerd worden en vica versa.
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 3
De ontdekking van antimaterie
Anderson (1932) ontdekte het door
Dirac voorspelde positron
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 4
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 – 5
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 – 6
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 – 7
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 – 8
Elektron-positron botsingen
Annihilatie produceert
energie - mini Big Bang


eElektron
(materie)
e+


Positron
antimaterie
Deeltjes en antideeltjes
worden geproduceerd
E = mc2
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 9
E=mc2: creatie van Materie en Antimaterie
  e e
 
e e  Z  qq
Als materie uit energie wordt gemaakt, dan wordt
er altijd evenveel antimaterie geproduceerd
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 10
Big Bang Cosmology
Evenveel materie
& antimaterie
Materie domineert!
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 11
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.
© Prof.dr Jo van den Brand,
2009 –in
12 1965
Ontdekking v/h nagloeien
1965
Penzias & Wilson
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 13
NRC HANDELSBLAD
Hubble Deep Field – overal materie
Proton/foton
1/109
Woensdag 12 februari 2003
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 14
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 – 15
Speuren naar antimaterie in het universum
Het zichtbare universum
wordt door materie
gedomineerd!
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 16
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, 2009 – 17
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 – 18
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, 2009 – 19
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 – 20
Een Universum met asymmetrie
Misschien veranderde
een in elke 109
antiquarks in een
quark tijdens de
geboorte van ons
Universum
Na de materieantimaterie
annihilatie bleef een
kleine hoeveelheid
materie over
(ongeveer een proton
voor 109 fotonen)
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 21
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 – 22
De Big Bang
Wat er gebeurde op tijden voor 10-10 s
na de Big Bang is onzeker
© Prof.dr Jo van den Brand, 2009 – 23