Antimaterie

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 de antimaterie ontploft hoog
boven de grond. De kracht van de ontploffing is enorm:
vergelijkbaar met 10,000 ton TNT.
En ¼ gram is ongeveer 10 zoutkorrels. Krachtig spul dus die
antimaterie!
2
In mijn onderzoek is antimaterie essentieel. Zonder antimaterie
bots je biljartballen op biljartballen 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 kan het worden door biljartballen op
antibiljartballen te knallen. Dan gaat er letterlijk een hele wereld
open.
Je maakt dan bijvoorbeeld een banaan en een
antibanaan! Ja echt. Allemaal mede dankzij de beroemdste
formule van Einstein E=mc2: zodra je voldoende energie in de
botsende deeltjes stopt, zou je nieuwe zware deeltjes kunnen
maken!
De vraag: Antimaterie: science fictie of realiteit?
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.
Zeg maar een soort mini zonnestelsel.
Helaas: dit beeld is fout! Elektronen die rondjes draaien zenden
elektromagnetische straling uit (dat is in essentie van de
zendmasten in Hilversum) 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 gelukkig anders. Quantum Mechanica geeft de
oplossing. En als jullie 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. Hoe nauwkeuriger
je b.v. de plaats van het elektron bepaalt; hoe slechter je zijn
snelheid kent! Voor macroscopische zaken zoals een auto of een
mens merk je hier niets van. Maar zoiets kleins als een elektron
merkt hier heel veel van!
7
Kijk nog 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 de
gecombineerde onzekerheid in plaats en snelheid minimaal is. En
dit is de toestand waarin het elektron het sterkst gebonden is aan
de kern. Die noemen we de grondtoestand.
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
nauwkeurig de kans vaststellen dat hij ergens zit. Met de
Quantum Mechanica theorie kan je die kans exact uitrekenen!
Die kans geef ik hier weer in grijswaarden: licht is grote
kans, donker is kleine kans. De kans is dus het grootst het
elektron hier (wijs aan) te vinden. Maar hij kan dus ook best
dichterbij of verder weg zitten. Het is een kansverdeling. Hij zal
nooit op de kern zelf zitten. Daar is de kans nul.
9
Het elektron kan ook in een andere toestand zitten.
Dit plaatje laat de kansverdeling 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. Vergeleken met de grondtoestand
is het elektron minder sterk gebonden. Daarom noemen we dit
een aangeslagen toestand.
En zijn nog veel meer aangeslagen toestanden. Het zijn wel
allemaal specifieke toestanden. D.w.z. niet alles kan. Daarom
noemen we het Quantum Mechanica. Allerlei zaken, zoals hier de
toegestane toestanden van het elektron, zijn gequantiseerd.
10
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 ontzettend
leeg!
11
Voordat ik een compleet beeld kan 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.
12
Met deze bouwregels kan je de structuur van ieder atoom in detail
uitrekenen. Bijvoorbeeld die van het natrium atoom.
Natrium heeft 11 elektronen. De eerste twee elektronen
zitten in de grondtoestand. Eén spint linksom en één
rechtsom. Daarmee is de grondtoestand 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 ofwel gewoon keukenzout.
Mooi he?
13
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. Dirac was de eerste
die er in slaagde quantum mechanica en relativiteitstheorie te combineren.
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. 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! Oftewel een anti-elektron! Met de injectie van
energie heb ik een deeltje-antideeltje paar gemaakt! G E N I A A L
14
Maarf 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 en maakt het mogelijk te bepalen of dit een spoor is
van een negatief of een positief geladen deeltje. U moet mij
geloven als ik zeg dat dit de eerste foto is van het positief geladen
anti-elektron. Ook wel het positron genoemd.
Hier ziet u hem als knuffel. Hij lijkt heel veel op het
elektron, maar gespiegeld en zwart en wit zijn omgekeerd.
Zoals het hoort voor een deeltje-antideeltje paar.
15
En met antimaterie is mijn banaan – antibanaan productie
ook realiteit. En let wel: die bananen zaten niet al in die
biljartballen! We maken hier echt compleet nieuwe dingen. En dat
maakt mijn onderzoek zo leuk en ook zo succesvol!
16
En kan je ook nog wat nuttigs doen met antimaterie? Ja hoor in
de meeste ziekenhuizen staat een zogenaamde PET scanner. Dat
apparaat maakt pijnloos plaatjes van ons m.b.v. antimaterie. Dat
is “P” van PET want die staat voor Positron een anti-elektron dus.
17
Nu hoop ik dat jullie begrijpen dat antimaterie echt
bestaat. Dat het toepassingen heeft in onze maatschappij. En
accepteer ook maar dat de Quantum Mechanica een heel ander
beeld van ons atoom geeft dan het mini zonnestelsel wat veel van
jullie vast nog in jullie hoofd hebben.
18
En 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 een ander elementair deeltje aan u
voorstellen:
neutrino
19
20
21