het europese laboratorium voor subatomaire fysica, het cern, start dit jaar een experiment in de large hadron collider-versneller waarbij atoomkernen met hoge snelheden met elkaar in botsing worden gebracht. het lhcb-experiment onderzoekt of er verschillen zijn in de fundamentele natuurkrachten tussen materiedeeltjes en antimateriedeeltjes. met de metingen hoopt men een volgende stap te zetten in de ontrafeling van het raadsel van de ontbrekende antimaterie.

Het mysterie van de ontbrekende antimaterie

Marcel Merk

Een van de meest intrigerende vraagstellingen in de elementaire deeltjesfysica is: waarom observeren we geen antimaterie in de natuur? Die vraag staat tegenwoordig in de belangstelling omdat een van de vier experimenten in de Large Hadron Collider-versneller van CERN, het zogenaamde LHCb-experiment, specifiek ontworpen is om metingen te verrichten die ons dichter bij een antwoord kunnen brengen. CERN is het Europese laboratorium voor subatomaire fysica, gelegen nabij Genève, waar experimenten worden uitgevoerd door atoomkernen met hoge snelheden met elkaar in botsing te brengen. Het LHCb-experiment bekijkt de kleinste bouwstenen van de natuur en onderzoekt of er verschillen zijn in de fundamentele natuurkrachten tussen materiedeeltjes en antimateriedeeltjes. The Mystery of the Missing Antimatter van Helen R. Quinn, hoogleraar aan de universiteit van Stanford in Californië, en van Yossie Nir, hoogleraar aan het Weizmann Instituut in Israël, onderzoekt de natuurkundige processen die plaatsvonden in het allereerste begin, een fractie van een seconde na de oerknal, toen het heelal alleen nog bestond uit fundamentele deeltjes. Die deeltjes worden nu in detail onderzocht in de experimenten van CERN.

Voor we verder ingaan op het onderwerp van de ontbrekende antimaterie, is het noodzakelijk om de terminologie te verduidelijken. Wat wordt er verstaan onder ‘materie’ en ‘antimaterie’? Een gangbare definitie van ‘materie’ is ‘datgene wat massa heeft’. Die heldere omschrijving is goed toepasbaar voor het merendeel van de natuurwetenschappen, maar ze dient met voorzichtigheid te worden gehanteerd in de elementaire deeltjesfysica. Ze geeft voeding aan de misvatting dat antimaterie kan worden gezien als antimassa. Wat is hier dan wel een bruikbare definitie van ‘materie’? Onderzoek naar de bouwstenen van de wereld om ons heen leert dat alle materie is opgebouwd uit atomen met een kern van positief elektrisch geladen protonen en neutrale neutronen, met daaromheen een wolk van negatief geladen elektronen. Het gedrag van die atoomdeeltjes wordt beschreven door de kwantummechanica, die in het begin van de vorige eeuw werd ontwikkeld door onder anderen Niels Bohr, Erwin Schrödinger en Werner Heisenberg. De kwantummechanica geeft een nauwkeurige beschrijving van de elektronenbanen rond de atoomkernen en daarmee ook van het scheikundige gedrag van atomen, zoals ze zijn gerangschikt in het periodieke systeem der elementen van Mendelejev.De wisselwerkingen tussen protonen en elektronen worden bestudeerd door ze te versnellen en te laten botsen in versnellers, waarbij er lokaal zeer hoge energiedichtheden worden bereikt. Volgens de beroemde formule van Albert Einstein (E=mc^2 ) is energie equivalent aan massa en worden er bij die botsingen door de vrijkomende energie nieuwe deeltjes geproduceerd. Er was echter een probleem met de succesvolle theorie van de kwantummechanica omdat ze gebaseerd was op niet-relativistische snelheden van deeltjes en omdat ze niet kon worden verenigd met de relativiteitstheorie van Einstein. De briljante theoretische fysicus Paul Dirac bedacht een oplossing. Met zijn beroemde vergelijking iγ·δΨ=mΨ, die weergegeven is op zijn grafsteen in Westminster Abbey in Londen, liet hij zien dat de speciale relativiteitstheorie en de kwantummechanica wel te verenigen waren op voorwaarde dat voor elk fundamenteel deeltje een tegenhanger kan bestaan met gelijke massa maar met tegenovergestelde lading: het antimateriedeeltje. De voorspelling van Diracs theorie was dat pure energie kan worden omgezet in paren van materie- en antimateriedeeltjes volgens de formule van Einstein, en ook dat botsende materie- en antimateriedeeltjes elkaar kunnen opheffen, waarbij hun massa wordt omgezet in pure energie.

Het bestaan van antideeltjes werd voor het eerst aangetoond in 1932 door Carl Anderson toen hij botsingsproducten bestudeerde van kosmische straling die de aardatmosfeer binnenvallen. Hij observeerde een deeltje met de massa van het elektron maar met een positieve, dus ‘verkeerde’ lading. Hij noemde dit deeltje het anti-elektron of het positron. Tegenwoordig kunnen antimateriedeeltjes relatief eenvoudig worden geproduceerd in versnellerlaboratoria. Bij het ATHENA-experiment van CERN is men er bijvoorbeeld in 2002 in geslaagd om zelfs anti-elektronen met antiprotonen te combineren tot enkele tienduizenden anti(waterstof)atomen. Gebaseerd op de wiskundige eigenschappen van de vergelijking van Dirac zou antimaterie zich moeten gedragen als een perfect ladingsspiegelbeeld van materie: het krachtenspel tussen een elektron en een proton is geheel identiek aan dat tussen een positron en een antiproton.

De speurtocht naar de elementaire bouwstenen van de materie bracht het bestaan van een vierde natuurkracht aan het licht: de zwakke kernkracht

Hoewel het atoom als geheel elektrisch neutraal is, is de kern dit niet. Hoe komt het dan dat een atoomkern stabiel is? Waarom stoten de positief geladen protonen in de kern elkaar niet af? De reden is dat er binnen een atoomkern een kracht heerst, vele malen sterker dan het elektromagnetisme, die de kerndeeltjes bindt. Die kracht is de sterke kernkracht en vormt een derde fundamentele kracht in de natuur, naast de zwaartekracht en het elektromagnetisme. Onderzoek naar de oorsprong van die kernkracht toonde aan dat de protonen en neutronen geen fundamentele bouwstenen in de natuur zijn. Ze bestaan elk weer uit drie quarks. En het zijn de quarks die de ‘lading’ van de sterke wisselwerking dragen en elkaar aantrekken. De speurtocht naar de elementaire bouwstenen van de materie bracht ook het bestaan van een vierde en laatste natuurkracht aan het licht: de zwakke kernkracht. Met die kracht, die ook gesitueerd is tussen de quarks, kan een neutron worden omgezet in een proton, waarbij er een elektron en een moeilijk waarneembaar deeltje, het neutrino, vrijkomen. Als dit proces natuurlijk plaatsvindt in een atoomkern, spreken we van een radioactief verval. De eerder genoemde symmetrie tussen materie en antimaterie gaat verder dan alleen hun elektromagnetische wisselwerking. De voorspelling is dat materiedeeltjes en antimateriedeeltjes op identieke wijze gevoelig zijn voor alle krachten: zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten.

Nadat was aangetoond dat antimaterie kan worden geproduceerd in laboratoria, vroeg men zich af of ze vrij bestaat in de natuur. Als we onze blik beperken tot de aarde, dan is het antwoord meteen negatief. Als er ergens antimaterie zou zijn, dan komt ze onmiddellijk in contact met materie waarbij ze volgens de formule van Einstein meteen wordt omgezet in energie. Vervolgens is de vraag of antimaterie voorkomt buiten de aarde, bijvoorbeeld in kosmische straling, in het bijzonder de primaire deeltjes vóórdat ze op atmosfeerdeeltjes botsen. Het AMS-experiment, dat geïnstalleerd is op een satelliet, heeft aangetoond dat er geen antimateriedeeltjes direct uit de kosmos komen. Het positron van Anderson was slechts ontstaan als bijproduct in een botsing van een kosmisch materiedeeltje op een atoomkern in de dampkring. Er komt dus geen antimaterie op grote schaal voor in het waarneembare heelal.

Als de natuurwetten voor materie en antimaterie geheel symmetrisch zijn, waarom is er dan overal materie en nergens antimaterie?

Maar als de natuurwetten voor materie en antimaterie geheel symmetrisch zijn, waarom is er dan overal materie en nergens antimaterie? Het antwoord moet liggen bij de oerknal, in het allereerste begin, een fractie van een seconde na de geboorte van het universum. Volgens de gangbare theorie is het universum ontstaan in een begintoestand met een klein volume en een zeer hoge dichtheid en energie. In de eerste fractie van een seconde was de temperatuur dermate hoog dat er genoeg energie was voor spontane vorming van paren van materie- en antimateriedeeltjes. Tevens zullen omgekeerd materie- en antimateriedeeltjes elkaar in het dichte universum ontmoeten en overgaan in energiestraling. In die fase zijn er continue omzettingen gaande van energie naar massa en omgekeerd. Als men de evolutieklok laat lopen vanaf dit vroege stadium, is het heelal vervolgens geëxpandeerd en afgekoeld. Op een bepaald moment was de temperatuur te laag voor de productie van materie- en antimaterieparen terwijl anderzijds annihilatie van de deeltjesparen naar energie nog steeds plaatsvond. Als de natuurwetten symmetrisch zijn is de verwachting dat er oorspronkelijk een gelijke hoeveelheid materiedeeltjes en antimateriedeeltjes geproduceerd zijn en dat ze elkaar uiteindelijk weer allemaal hebben opgeheven. Kortom, er ontstaat een leeg universum, geheel in tegenstelling tot onze waarneming. Het fundament van dit raadsel ligt in de wiskundige vergelijking van Dirac die een symmetrie bevat voor de beschrijving van deeltjes en hun antideeltjespartners.

Het begrip symmetrie speelt een centrale rol in de theoretische natuurkunde. Wat wordt er verstaan onder symmetrie? In de fysica wordt een symmetrie gezien als een onveranderlijkheid van een systeem onder een bepaalde afbeelding. Een voorbeeld van een dergelijke symmetrie is dat de krachten tussen deeltjes (denk aan de zwaartekracht tussen massa’s of de elektrische kracht tussen geladen deeltjes) niet afhangen van een verplaatsing van het systeem in de tijd of in de ruimte. Die zogenaamde transformatiesymmetrieën leiden tot de bekende wetten van behoud van energie en impuls van het systeem van deeltjes. Het betreft hier een algemeen geldende wetmatigheid die ontdekt is door de wiskundige Emmy Noether: symmetrieën leiden tot behoudswetten. Men kan symmetrieën onderbrengen in verschillende categorieën. Bovenstaand voorbeeld wordt een continue ruimte-tijdsymmetrie genoemd, omdat het systeem hierbij een verplaatsing van willekeurige grootte in de tijd of ruimte kan ondergaan. De symmetrie tussen de natuurwetten voor materie en antimaterie is van een ander soort: een zogenaamde discrete symmetrie. Hierbij vergelijken we de krachten in het systeem terwijl we materiedeeltjes vervangen door antimateriedeeltjes. In beide gevallen ligt de grondslag van de symmetrie echter in het bestaan van een hieraan gerelateerde fundamentele onobserveerbare grootheid. In het eerste geval betreft het de absolute positie van het systeem in de ruimte en in de tijd. In het tweede geval gaat het om een absolute definitie van materie en antimaterie. Dit vraagt wat toelichting.

De vraag naar een absolute definitie van materie en antimaterie kan het best worden onderzocht via een andere vraag, die gerelateerd blijkt te zijn aan elementaire deeltjes: is er een absolute definitie mogelijk van linkshandigheid en rechtshandigheid? Die hieraan verbonden symmetrieoperatie speelt een belangrijke rol in de deeltjesfysica en is in detail onderzocht in de vorige eeuw. Het betreft de symmetrie onder de zogenaamde pariteitsafbeelding, waarbij een systeem getransformeerd wordt via een puntspiegeling in de oorsprong. Hierbij wordt elke coördinaat afgebeeld op coördinaat , wat overeenkomt met een normale voor-achterspiegeling, die links- en rechtshandigheid verwisselt, gevolgd door een rotatie van 180 graden. De vraag luidt of de natuurwetten identiek zijn voor linkshandige en rechtshandige fysische systemen. Met andere woorden: is het mogelijk om te bepalen of een fundamenteel natuurproces rechtstreeks geobserveerd wordt of via de pariteitsspiegel? Kan er een absolute definitie worden gemaakt van linkshandigheid? Of zijn rechtshandigheid en linkshandigheid altijd relatieve begrippen? Elementaire deeltjes bezitten een grootheid die spin genoemd wordt, een kwantummechanische eigenschap die kan worden gezien als de hoeveelheid rotatie. Gebruikmakend van die eigenschap kan het relatieve begrip links- of rechtshandigheid worden gedefinieerd door de richting van de spin van het deeltje te vergelijken met de voortbewegingsrichting. We spreken van een rechtshandig deeltje als de spinrichting in dezelfde richting wijst als de bewegingsrichting en van een linkshandig deeltje als dit omgekeerd is.

Tot in 1956 was men ervan overtuigd dat alle natuurwetten spiegelsymmetrisch waren. Op microscopische schaal gelden gelijke krachten voor links- en rechtshandige deeltjes. Het werd ondenkbaar geacht dat de natuur een absoluut verschil zou kennen tussen linkshandigheid en rechtshandigheid. De natuurkundigen Tsung-Dao Lee en Chen Ning Yang waren de eersten die zich realiseerden dat er geen experimenteel bewijs was dat de zwakke interactie daadwerkelijk spiegelsymmetrisch is en zij bedachten een experiment dat hierover uitsluitsel zou geven. In het beroemde experiment van Chien-Shiung Wu werd de bewegingsrichting gemeten van vrijkomende elektronen in een radioactief verval van cobaltkernen. Door de spinrichting van de cobaltkernen te richten met behulp van een uitwendig aangelegd magneetveld kon men aantonen dat dit radioactieve verval, en daarmee de zwakke kernkracht, een voorkeur had om linkshandige elektronen te produceren. Uit verdere studies bleek dat de natuurwet van de zwakke wisselwerking zelfs volledig linkshandig is: rechtshandige deeltjes blijken er immuun voor te zijn en de zwakke wisselwerking niet te voelen. De pariteitsymmetrie, die wel gerespecteerd wordt in de zwaartekracht, het elektromagnetisme en in de sterke kernkracht, wordt maximaal gebroken in de zwakke kernkracht. ‘God is a weak left-hander’, zei Wolfgang Pauli. Aldus blijkt het mogelijk de echte wereld te onderscheiden van de spiegelwereld. Zien we een zwakke interactie tussen rechtshandige elektronen, dan is het onmogelijk dat we dit direct waarnemen: we zien het proces via een spiegel.

In de beroemde formule van Dirac spelen linkshandige elektronen een volledig symmetrische rol aan rechtshandige positronen

De pariteitsymmetrie is gerelateerd aan de materie-antimateriesymmetrie. Na de ontdekking van de pariteitschending in 1956 was de heersende opvatting dat dan tenminste de symmetrie tussen linkshandige materie en rechtshandige antimaterie behouden zou zijn, zodat er netto gelijke wetten gelden voor de totale hoeveelheid materie en antimaterie. In de beroemde formule van Dirac spelen linkshandige elektronen een volledig symmetrische rol aan rechtshandige positronen. Het behoud van die symmetrie, aangeduid met de term charge-parity-symmetrie (CP-symmetrie), werd door wetenschappers algemeen als waar aangenomen. De vragen ‘wat is een linkshandig elektron?’ en ‘wat is een rechtshandig positron?’ kunnen dus alleen in relatieve zin worden beantwoord. Een absolute definitie is onmogelijk als een CP-symmetrie exact geldig is.

Maar zelfs de symmetrie tussen linkshandige materie en rechtshandige antimaterie bleek niet houdbaar toen een team van wetenschappers onder leiding van James Cronin en Val Fitch in 1964 een minuscule afwijking ontdekte in het zwakke verval van zogenaamde K-mesonen. Neutrale K-mesonen of kaonen zijn deeltjes die bestaan uit een d-quark en een anti-s-quark. Het blijkt mogelijk dat kaonen spontaan kunnen overgaan in antikaonen en omgekeerd, een fenomeen dat kaonoscillatie wordt genoemd. Het team van Cronin en Fitch observeerde dat een overgang van een kaon in een antikaon iets vaker voorkomt dan omgekeerd. Het betrof hier een minuscuul verschil van ongeveer twee op duizend. Dit betekent echter dat er op die manier toch een mogelijkheid is om materiedeeltjes in absolute zin te onderscheiden van antimateriedeeltjes. De zwakke wisselwerking maakt dus een – weliswaar klein – onderscheid tussen linkshandige deeltjes en rechtshandige antideeltjes. Natuurkundigen zeggen: ook de CP-spiegel is gebroken in de natuur.

In 1967 en 1968 introduceerden Sheldon Glashow, Abdus Salam en Steven Weinberg een theorie voor de zwakke wisselwerking tussen de drie toen bekende quarks, die nu nog steeds geldt als het standaardmodel. Kort daarna ontdekten de jonge Japanse wetenschappers Makato Kobayashi en Toshihide Maskawa een manier waarop schending van CP-symmetrie in dit model kan worden ingebouwd. De essentie van hun theorie is dat de sterkte van de zwakke kernkracht tussen quarks wordt beschreven met complexe getallen. Om dit te kunnen verklaren hadden zij maar liefst zes quarks nodig, verdeeld over drie generaties. Zij poneerden dat er drie nieuwe, nog te ontdekken quarks zouden bestaan. Hun artikel verscheen in 1972 toen er nog maar drie quarks experimenteel waren waargenomen en werd om die reden eerst niet serieus genomen. Nadat in 1974 het vierde en in 1977 het vijfde quark waren ontdekt, realiseerde men zich dat er daadwerkelijk drie generaties fundamentele deeltjes bestaan en dat met het Kobayashi-Maskawamechanisme op een consistente manier een asymmetrie in de natuur tussen materie en antimaterie kon worden ingebouwd. Kobayashi en Maskawa kregen voor hun werk in 2008 de Nobelprijs voor Fysica.

De ontdekking van het vijfde quark, het b-quark, leidde tot nieuwe mogelijkheden om de hypothese van Kobayashi en Maskawa te toetsen. Net als neutrale K-mesonen kunnen neutrale B-mesonen (deeltjes die een b-quark bevatten) en hun antipartners worden gebruikt om CP-schending te meten. In tegenstelling tot het K-mesonverval werd bij het B-mesonverval een grote mate van CP-schending verwacht, wat gerelateerd is aan het feit dat het b-quark een derdegeneratiequark is. De experimenten BaBar in SLAC (Californië) en Belle in KEK (Japan) hebben vanaf 1999 een grote hoeveelheid metingen verricht, die tot dusver consistent zijn met de Kobayashi-Maskawa-hypothese voor materie-antimaterie-asymmetrie.

De Russische fysicus Andrej Sacharov toonde in zijn artikel in 1967 aan dat CP-schending een noodzakelijk ingrediënt is in de zogenaamde baryogenese: het ontstaan van ons huidige door materie gedomineerde heelal. Ondanks het feit dat de huidige metingen van CP-schending in deeltjesexperimenten in overeenstemming zijn met de theorie van Kobayashi en Maskawa, zijn de pogingen om baryogenese te beschrijven met dit model tot dusver niet succesvol en is het waarschijnlijk dat er nieuwe bronnen van CP-schending moeten worden gevonden. Een speurtocht naar die bronnen is de missie van een van de vier experimenten in de LHC-versneller van CERN, het LHCb-experiment, dat in 2009 van start zal gaan. De hoop is dat dit experiment een volgende stap zal zetten in het ontrafelen van het mysterie van de ontbrekende antimaterie.

Helen R. Quinn, Yossi Nir, The Mystery of the Missing Antimatter (Princeton: Princeton University Press, 2008).

Marcel Merk is als fysicus verbonden aan Nikhef en de Vrije Universiteit Amsterdam.