WW: Fermilab vindt voorkeur voor materie

De woensdagmiddag is op GeenCommentaar Wondere Woensdagmiddag. Met extra aandacht voor de nieuwste ontwikkelingen in Wetenschap- en Techniekland.

Pas op voor je evil antimaterie tweeling (Foto: Flickr/B Rosen)

Het onderzoek van een grote groep fysici van het Amerikaanse Fermilab heeft waarschijnlijk antwoord gegeven op één van de grote onopgeloste vragen in de natuurkunde: Waarom leven wij in een materie-universum en niet in een antimaterie-universum.

Alles om ons heen is opgebouwd uit materie. Dat wil zeggen: atomen die bestaan uit positieve kernen en negatieve electronen enzovoorts. Maar elementaire deeltjesfysica leert ons dat er van elk deeltje ook een ‘evil twin’ versie moet bestaan met precies de ongekeerde polariteit. Materie die hieruit is opgebouwd noemen we antimaterie. Een leuke eigenschap van die antimaterie is dat wanneer dit met materie in aanraking komt, beide in een flits van energie oplossen in het niets (ze heffen elkaar op). Andersom kunnen ook uit het niets ook weer twee tegengestelde deeltjes ontstaan, materie en antimaterie, die ieder huns weegs gaan.

Het grote onopgeloste probleem waar ik mee begon is simpelweg: waar is alle antimaterie? Volgens het bovenstaande principe zou er bij het ontstaan van het heelal net zoveel materie als antimaterie ontstaan moeten zijn, maar alles wat wij als mensheid tot nu toe waargenomen hebben is materie. Er zijn eigenlijk twee logische oplossingen voor dit probleem:

  • Er zijn heel ver weg wel degelijk anti-universa, waar sterren, planeten en onze evil twins opgebouwd zijn uit antiprotonen en -electronen.
  • Bij het ontstaan van het heelal was er sprake van een kleine asymmetrie in de verdeling: er was iets meer materie, wat uiteindelijk ervoor zorgde dat materie als overwinnaar uit de bus komt. Dit is de baryogenese-theorie.

De onderzoekers van het Fermilab presenteren bewijs voor de tweede optie. In een luttele negentien pagina’s (waarvan drie gereserveerd voor het opnoemen van de namen van alle co-auteurs) presenteren ze een meta-analyse (.pdf) van de resultaten van hoge-energie botsingen in hun deeltjesversneller. De hoeveelheid voorzorgsmaatregelen, checks, dubbelchecks en randomisering die nodig is om een piepklein effect op piepkleine deeltjes met gigantische apparaten statistisch aan te tonen is geweldig.

Maar uiteindelijk vinden de onderzoekers wel degelijk een voorkeur van het universum voor materie boven antimaterie. Gekeken werd naar het vervalgedrag van zogenaamde B-mesonen in ofwel muonen ofwel antimuonen. Uit de resultaten bleek dat er een significante voorkeur voor de ‘normale materie’ variant was. De voorkeur was klein (maar rond de 1%) maar significant (meer dan drie standaard- deviaties verwijderd van de waarde voorspeld door het symmetrische model).

De resultaten zullen naar alle waarschijnlijkheid binnenkort bevestigd worden in de Large Hadron Collider, waarna we als mensheid definitief een vinkje kunnen zetten achter één van de Grote Vragen.

  1. 4

    Wat ik me meer afvroeg is hoe de claim uit niets kan (anti-)materie ontstaan is bewezen…

    Dat druist namelijk tegen de natuurwetten in..

  2. 7

    @6: Met de kennis die we nu hebben, is dit: “Andersom kunnen ook uit het niets ook weer twee tegengestelde deeltjes ontstaan, materie en antimaterie, die ieder huns weegs gaan.”

    Gewoon onmogelijk. Er kan niet uit het niets, iets ontstaan. C’est impossible. ( Naast het probleem dat als dit wel zou gebeuren, de deeltjes elkaar gelijk op zouden heffen, en er dus heel veel energie vrij zou moeten komen. Meetbare energie.. )

    Iemand die dat kan uitleggen? Ik zal morgen het artikel nog wel even doorspitten..

  3. 9

    @7: Volgens de moderne natuurkunde kan er wel degelijk iets uit “niets” ontstaan. Anders gezegd; wat jij niets noemt (het vacuum komt daarbij het dichst in de buurt), is eigenlijk niet niets. Niets bestaat niet (per definitie, zou ik zeggen)…

    De quantummechanische energie-tijd onzekerheidsrelatie zegt ruwweg dat hoe korter je een systeem waarneemt, hoe groter de onzekerheid in de energie van dat systeem is. Dus een systeem in zijn grondtoestand kan spontaan overgaan in een hogere energietoestand, mits het maar snel genoeg weer terugvalt. Het systeem leent als het ware wat energie van het vacuum, maar geeft die energie weer terug voordat iemand het doorheeft.

    Dit soort quantumfluctuaties zijn bijvoorbeeld verantwoordelijk voor het (experimenteel waargenomen) Casimir-effect, waarbij het vacuum een kracht uitoefent op een metalen plaat vlakbij een tweede plaat. Ook de Big Bang is uiteindelijk een soort quantumfluctuatie.