Waarom bestaat het heelal uit materie en niet uit anti-materie? Kosmologen zien de theoretische verklaring in de cp-breking, het verschijnsel dat zich uit in het uiteenvallen van één bepaald type elementair deeltje, de onstabiele neutrale kaonen, in andere deeltjes.
Delen
Om dit verval te meten ontwierp en installeerde fysicus Mark van den Putte het centrale deel van een speciale detector. Zo kan het bestaan van cp-breking experimenteel bewezen worden en zijn enkele ontbrekende experimentele details te bepalen. Hij promoveerde 13 september.
In de tijd van Niels Bohr, grondlegger van het atoommodel, leek het leven nog simpel. Toen bestond de wereld nog gewoon uit protonen, neutronen, elektronen en fotonen. In het Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) bij Genève in Zwitserland, wereldberoemd vanwege de enorme deeltjesversnellers, meten ze tegenwoordig ook aan vele andere deeltjes: kaonen, pionen, muonen, neutrinos en nog veel meer exotische materie.
Elk van deze deeltjes kent een bijbehorend anti-materiedeeltje. Dit is gelijk aan zijn materie-broertje, maar dan met een omgekeerd ladingsteken en omgekeerde interne kwantumgetallen. Voorbeelden van anti-deeltjes zijn anti-protonen (negatief geladen protonen) en positronen (de positief geladen anti-deeltjes van elektronen).
,,Wanneer materie en anti-materie bij elkaar komen, vervallen ze uiteindelijk tot fotonen en stabiele deeltjes”, legt Van de Putte uit. ,,In eerste instantie ontstaat ook veel energie maar dat is een tussenstadium. Deze energie wordt weer omgezet in deeltjes, bijvoorbeeld elektronen.”
Hoewel bij de oerexplosie zowel materie als anti-materie ontstond, is nu in het heelal, voor zover is onderzocht, bijna alleen nog maar materie te vinden. ,,Theoretisch modellen zeggen dat er tijdens de oerknal al een voorkeur bestond voor materie”, zegt Van den Putte. ,,Daardoor trad een onbalans op in materie en anti-materie.” Uiteindelijk is bijna alle anti-materie verdwenen en is daar een grote hoeveelheid fotonen (licht) en stabiele deeltjes voor in de plaats gekomen.
Daarom zijn er ook zoveel fotonen ten opzicht van deeltjes in het heelal. ,,Alle anti-materie die nu nog ontstaat, heeft een korte levensduur omdat het zich bevindt tussen materie en dus met grote zekerheid vervalt”, aldus Van den Putte.
CERN-wetenschappers proberen de interacties tussen elementaire deeltjes te beschrijven in één grote theorie, het zogenaamde standard model en houden zich bezig met het uitvoerig testen van dat model. In dit standard model komen drie van de vier fundamentele natuurkrachten: de sterke wisselwerking, de zwakke wisselwerking en de elektromagnetische wisselwerking. Dit model is reeds uitvoerig getest. Alleen de zwaartekracht komt er nog niet in voor. ,,Men is bezig met modellen waar ook de zwaartekracht in opgenomen is, maar die zijn nog niet zo uitvoerig getest.” Cp-breking vormt slecht een klein aspectvan het standard model.
Bombardement
Om het standard model te testen doen ze bij het CERN experimenten met deeltjes die enorm veel energie bevatten. Hoe kom je aan die hoog energetische deeltjes? Natuurlijke bronnen zijn er wel. In buitenaardse ruimten ontstaan voortdurend zeer hoog energetische deeltjes die de aarde aan een constant bombardement onderwerpen, namelijk kosmische straling. Deze bron van deeltjes gedraagt zich echter oncontroleerbaar en onvoorspelbaar en is dus niet geschikt voor onderzoek. Daarom is men in de jaren dertig deeltjesversnellers gaan bouwen, zoals die in Zwitserland.
Van den Putte werkte twee jaar van zijn promotie-onderzoek mee aan het onderzoek naar cp-breking. De cp-breking zegt dat de natuur het overgaan van een anti-kaon tot een kaon verkiest boven de omgekeerde reactie: het overgaan van een kaon tot zijn anti-deeltje. Deze lichte voorkeur voor omzetting tot materie verklaart dat het heelal voornamelijk uit materie bestaat.
,,Over dat laatste is men het nu eigenlijk wel eens”, zegt Van den Putte, ,,maar er zijn nog een aantal onbekende details over de cp-breking. Ze missen bijvoorbeeld nog een aantal experimentele waarden van variabelen in de cp-breking.” De detector waar Van den Putte aan werkte moet dienen voor metingen aan deze waarden.
Gevangen
Voordat het experiment kan beginnen moeten er anti-protonen gemaakt worden, omdat anti-protonen samen met protonen neutrale kaonen kunnen generen, de enige deeltjes waaraan de cp-breking te meten is. Van den Putte legt uit hoe ze aan de anti-protonen komen. ,,Door ionisatie van waterstofgas worden protonen uit de atoomkern los gemaakt. Deze protonen worden versneld tot nabij de lichtsnelheid in de ondergrondse deeltjesversnellers van het CERN. De bundel protonen die hierbij ontstaat, bevat enorm veel energie en wordt dan op een speciaal target geschoten waarin anti-protonen gevormd worden. Die anti-protonen worden weer tot een bundel gevormd en een beetje vertraagd.”
Met deze anti-protonen kan het experiment beginnen. De vertraagde anti-protonen worden gevangen in een nieuw target gevuld met waterstof. De protonen van het waterstof en de anti-protonen gaan om elkaar heen draaien en vormen een zogenaamd protonium. Binnen een nanoseconde vervalt dit protonium waarbij 0,4 procent bruikbare neutrale kaonen ontstaan. Van den Putte: ,,Die worden er in de detector uitgefilterd en daaraan kan men metingen doen voor de cp-breking.”
Zoutmijn
Van den Putte bouwde de met waterstof gevulde target en een monitor waarmee de plaats van de anti-proton bundel bepaald kon worden, zodat de bundel goed in de target gericht kan worden. Daarnaast maakte hij een teller die de uiteindelijkdetector waarschuwt dat er een anti-proton aankomt. Hij deed dat in anderhalf jaar tijd bij de vakgroep instrumentatie en stralingsonderzoek van Technische Natuurkunde en nam de detectoren toen mee naar Zwitserland.
,,Ik heb aan de eerste proeven met het experiment in CERN meegewerkt en die gingen goed”, vertelt de fysicus. ,,Nu zullen ze nog wel tot eind volgend jaar bezig zijn met metingen en met al deze gegevens kunnen ze nog jarenlang analyses uitvoeren.”
Ondertussen heeft Van den Putte zich weer in een nieuw mysterieus fundamenteel onderzoek gestort. Een groot deel van zijn tijd brengt hij nu 1100 meter onder de grond door in een werkende zoutmijn in Engeland, waar hij het bestaan van massieve zwakwisselwerkende deeltjes (Weak Interactive Massive Particles, WHIMPs) probeert aan te tonen. Deze zouden de verklaring kunnen zijn voor de dark matter in het heelal.
Hij verklaart: ,,Dat doen we in die zoutmijn om zo min mogelijk last te hebben van achtergrondstraling.” Dit onderzoek is een tegenhanger van het zogenaamde MACHO-onderzoek (Massive Compact Helo Object) dat dit probleem vanuit een andere hoek probeert op te lossen.
Waarom bestaat het heelal uit materie en niet uit anti-materie? Kosmologen zien de theoretische verklaring in de cp-breking, het verschijnsel dat zich uit in het uiteenvallen van één bepaald type elementair deeltje, de onstabiele neutrale kaonen, in andere deeltjes. Om dit verval te meten ontwierp en installeerde fysicus Mark van den Putte het centrale deel van een speciale detector. Zo kan het bestaan van cp-breking experimenteel bewezen worden en zijn enkele ontbrekende experimentele details te bepalen. Hij promoveerde 13 september.
In de tijd van Niels Bohr, grondlegger van het atoommodel, leek het leven nog simpel. Toen bestond de wereld nog gewoon uit protonen, neutronen, elektronen en fotonen. In het Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) bij Genève in Zwitserland, wereldberoemd vanwege de enorme deeltjesversnellers, meten ze tegenwoordig ook aan vele andere deeltjes: kaonen, pionen, muonen, neutrinos en nog veel meer exotische materie.
Elk van deze deeltjes kent een bijbehorend anti-materiedeeltje. Dit is gelijk aan zijn materie-broertje, maar dan met een omgekeerd ladingsteken en omgekeerde interne kwantumgetallen. Voorbeelden van anti-deeltjes zijn anti-protonen (negatief geladen protonen) en positronen (de positief geladen anti-deeltjes van elektronen).
,,Wanneer materie en anti-materie bij elkaar komen, vervallen ze uiteindelijk tot fotonen en stabiele deeltjes”, legt Van de Putte uit. ,,In eerste instantie ontstaat ook veel energie maar dat is een tussenstadium. Deze energie wordt weer omgezet in deeltjes, bijvoorbeeld elektronen.”
Hoewel bij de oerexplosie zowel materie als anti-materie ontstond, is nu in het heelal, voor zover is onderzocht, bijna alleen nog maar materie te vinden. ,,Theoretisch modellen zeggen dat er tijdens de oerknal al een voorkeur bestond voor materie”, zegt Van den Putte. ,,Daardoor trad een onbalans op in materie en anti-materie.” Uiteindelijk is bijna alle anti-materie verdwenen en is daar een grote hoeveelheid fotonen (licht) en stabiele deeltjes voor in de plaats gekomen.
Daarom zijn er ook zoveel fotonen ten opzicht van deeltjes in het heelal. ,,Alle anti-materie die nu nog ontstaat, heeft een korte levensduur omdat het zich bevindt tussen materie en dus met grote zekerheid vervalt”, aldus Van den Putte.
CERN-wetenschappers proberen de interacties tussen elementaire deeltjes te beschrijven in één grote theorie, het zogenaamde standard model en houden zich bezig met het uitvoerig testen van dat model. In dit standard model komen drie van de vier fundamentele natuurkrachten: de sterke wisselwerking, de zwakke wisselwerking en de elektromagnetische wisselwerking. Dit model is reeds uitvoerig getest. Alleen de zwaartekracht komt er nog niet in voor. ,,Men is bezig met modellen waar ook de zwaartekracht in opgenomen is, maar die zijn nog niet zo uitvoerig getest.” Cp-breking vormt slecht een klein aspectvan het standard model.
Bombardement
Om het standard model te testen doen ze bij het CERN experimenten met deeltjes die enorm veel energie bevatten. Hoe kom je aan die hoog energetische deeltjes? Natuurlijke bronnen zijn er wel. In buitenaardse ruimten ontstaan voortdurend zeer hoog energetische deeltjes die de aarde aan een constant bombardement onderwerpen, namelijk kosmische straling. Deze bron van deeltjes gedraagt zich echter oncontroleerbaar en onvoorspelbaar en is dus niet geschikt voor onderzoek. Daarom is men in de jaren dertig deeltjesversnellers gaan bouwen, zoals die in Zwitserland.
Van den Putte werkte twee jaar van zijn promotie-onderzoek mee aan het onderzoek naar cp-breking. De cp-breking zegt dat de natuur het overgaan van een anti-kaon tot een kaon verkiest boven de omgekeerde reactie: het overgaan van een kaon tot zijn anti-deeltje. Deze lichte voorkeur voor omzetting tot materie verklaart dat het heelal voornamelijk uit materie bestaat.
,,Over dat laatste is men het nu eigenlijk wel eens”, zegt Van den Putte, ,,maar er zijn nog een aantal onbekende details over de cp-breking. Ze missen bijvoorbeeld nog een aantal experimentele waarden van variabelen in de cp-breking.” De detector waar Van den Putte aan werkte moet dienen voor metingen aan deze waarden.
Gevangen
Voordat het experiment kan beginnen moeten er anti-protonen gemaakt worden, omdat anti-protonen samen met protonen neutrale kaonen kunnen generen, de enige deeltjes waaraan de cp-breking te meten is. Van den Putte legt uit hoe ze aan de anti-protonen komen. ,,Door ionisatie van waterstofgas worden protonen uit de atoomkern los gemaakt. Deze protonen worden versneld tot nabij de lichtsnelheid in de ondergrondse deeltjesversnellers van het CERN. De bundel protonen die hierbij ontstaat, bevat enorm veel energie en wordt dan op een speciaal target geschoten waarin anti-protonen gevormd worden. Die anti-protonen worden weer tot een bundel gevormd en een beetje vertraagd.”
Met deze anti-protonen kan het experiment beginnen. De vertraagde anti-protonen worden gevangen in een nieuw target gevuld met waterstof. De protonen van het waterstof en de anti-protonen gaan om elkaar heen draaien en vormen een zogenaamd protonium. Binnen een nanoseconde vervalt dit protonium waarbij 0,4 procent bruikbare neutrale kaonen ontstaan. Van den Putte: ,,Die worden er in de detector uitgefilterd en daaraan kan men metingen doen voor de cp-breking.”
Zoutmijn
Van den Putte bouwde de met waterstof gevulde target en een monitor waarmee de plaats van de anti-proton bundel bepaald kon worden, zodat de bundel goed in de target gericht kan worden. Daarnaast maakte hij een teller die de uiteindelijkdetector waarschuwt dat er een anti-proton aankomt. Hij deed dat in anderhalf jaar tijd bij de vakgroep instrumentatie en stralingsonderzoek van Technische Natuurkunde en nam de detectoren toen mee naar Zwitserland.
,,Ik heb aan de eerste proeven met het experiment in CERN meegewerkt en die gingen goed”, vertelt de fysicus. ,,Nu zullen ze nog wel tot eind volgend jaar bezig zijn met metingen en met al deze gegevens kunnen ze nog jarenlang analyses uitvoeren.”
Ondertussen heeft Van den Putte zich weer in een nieuw mysterieus fundamenteel onderzoek gestort. Een groot deel van zijn tijd brengt hij nu 1100 meter onder de grond door in een werkende zoutmijn in Engeland, waar hij het bestaan van massieve zwakwisselwerkende deeltjes (Weak Interactive Massive Particles, WHIMPs) probeert aan te tonen. Deze zouden de verklaring kunnen zijn voor de dark matter in het heelal.
Hij verklaart: ,,Dat doen we in die zoutmijn om zo min mogelijk last te hebben van achtergrondstraling.” Dit onderzoek is een tegenhanger van het zogenaamde MACHO-onderzoek (Massive Compact Helo Object) dat dit probleem vanuit een andere hoek probeert op te lossen.
Comments are closed.