Matter vs. Antimatter

Materie versus Antimaterie

Materie versus antimaterie: de onevenwichtigheid die materie liet domineren

Een van de diepgaandste mysteries in de moderne fysica en kosmologie is waarom ons universum bijna volledig uit materie bestaat, met zeer weinig antimaterie aanwezig. Volgens ons huidige begrip zouden materie en antimaterie in bijna gelijke hoeveelheden zijn gecreëerd tijdens de allereerste momenten na de Oerknal, wat impliceert dat ze elkaar volledig hadden moeten annihileren—maar dat gebeurde niet. Het kleine overschot aan materie (ongeveer één deel per miljard) overleefde en vormde de sterrenstelsels, sterren, planeten en uiteindelijk het leven zoals wij dat kennen. Deze schijnbare asymmetrie tussen materie en antimaterie wordt vaak samengevat met de term baryon asymmetrie van het universum en is nauw verbonden met processen die bekend staan als CP schending en baryogenese.

In dit artikel zullen we verkennen:

  1. Een korte historische blik op de ontdekking van antimaterie.
  2. De aard van de materie-antimaterie onevenwichtigheid.
  3. CP (lading-pariteit) symmetrie en de schending ervan.
  4. De Sakharov-voorwaarden voor baryogenese.
  5. Voorgestelde mechanismen voor het genereren van de materie-antimaterie asymmetrie (bijv. elektroweak baryogenese, leptogenese).
  6. Lopende experimenten en toekomstige richtingen.

Aan het einde heb je een overzicht van waarom we geloven dat er meer materie dan antimaterie is en de wetenschappelijke inspanningen om het precieze mechanisme achter deze kosmische onevenwichtigheid te achterhalen.

1. Historische context: De ontdekking van antimaterie

Het concept van antimaterie werd voor het eerst theoretisch voorspeld door de Engelse natuurkundige Paul Dirac in 1928. Dirac formuleerde een vergelijking (de Dirac-vergelijking) die elektronen beschreef die zich met relativistische snelheden bewogen. Deze vergelijking stond onverwacht oplossingen toe die overeenkwamen met deeltjes met positieve energie en negatieve energietoestanden. De "negatieve energie" oplossingen werden later geïnterpreteerd als deeltjes met dezelfde massa als het elektron maar met tegengestelde elektrische lading.

  1. Ontdekking van het positron (1932): In 1932 bevestigde de Amerikaanse natuurkundige Carl Anderson experimenteel het bestaan van antimaterie door het positron (het antideeltje van het elektron) te detecteren in kosmische stralingssporen.
  2. Antiproton en Antineutron: Het antiproton werd ontdekt in 1955 door Emilio Segrè en Owen Chamberlain, en het antineutron in 1956.

Deze ontdekkingen versterkten het idee dat voor elk type deeltje in het Standaardmodel een antideeltje bestaat met tegengestelde kwantumgetallen (bijv. elektrische lading, baryongetal) maar dezelfde massa en spin.

2. De aard van de materie-antimaterie-ongelijkheid

2.1 Gelijke creatie in het vroege universum

Tijdens de Oerknal was het universum ongelooflijk heet en dicht, met energieën hoog genoeg om paren van materie- en antimateriedeeltjes te creëren. We zouden verwachten dat er gemiddeld voor elk geproduceerd materiedeeltje een equivalent antideeltje werd gemaakt. Naarmate het universum uitdijde en afkoelde, zouden deze deeltjes en antideeltjes bijna volledig geannihileerd moeten zijn, waarbij hun massa werd omgezet in energie (meestal gammastraling fotonen).

2.2 De overgebleven materie

Waarnemingen tonen echter aan dat het universum voornamelijk uit materie bestaat. De netto-ongelijkheid is klein—maar absoluut cruciaal. Dit kan worden gekwantificeerd door te kijken naar de verhouding van de baryonendichtheid (d.w.z. materiedichtheid) tot de fotondichtheid in het universum, vaak aangeduid met η = (nB - n̄B) / nγ. Gegevens van de Cosmische Microgolfachtergrond (CMB)—zoals gemeten door missies als COBE, WMAP en Planck—geven aan:

η ≈ 6 × 10−10.

Dit betekent dat voor elke miljard of zo fotonen die overblijven van de Oerknal, er slechts ongeveer één proton (of neutron) is—maar belangrijker nog, dat enkele baryon het aantal van zijn anti-baryon tegenhanger overtrof. De vraag is: Hoe is deze kleine maar essentiële asymmetrie ontstaan?

3. CP-symmetrie en de schending ervan

3.1 Symmetrieën in de natuurkunde

In de deeltjesfysica verwijst C (ladingconjugatie) symmetrie naar de transformatie tussen deeltjes en hun antideeltjes. P (pariteit) symmetrie verwijst naar ruimtelijke inversie (het spiegelen van de ruimtelijke coördinaten). Als een natuurwet onveranderd blijft onder C en P tegelijkertijd (d.w.z. "als het er hetzelfde uitziet wanneer deeltjes worden verwisseld met antideeltjes en links en rechts worden omgewisseld"), zeggen we dat het voldoet aan CP-symmetrie.

3.2 Vroege Ontdekking van CP-schending

Men geloofde oorspronkelijk dat CP-symmetrie een fundamentele symmetrie van de natuur zou kunnen zijn, vooral nadat alleen P-schending werd ontdekt halverwege de jaren 1950. Echter, in 1964 ontdekten James Cronin en Val Fitch dat verval van neutrale kaonen (K0) de CP-symmetrie niet respecteerden (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Dit baanbrekende resultaat toonde aan dat zelfs CP kan worden geschonden in bepaalde zwakke interactieprocessen.

3.3 CP-schending in het Standaardmodel

Binnen het Standaardmodel van de deeltjesfysica kan CP-schending voortkomen uit fasen in de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-matrix, die beschrijft hoe quarks van verschillende “smaken” overgaan onder de zwakke kracht. Later introduceerde de neutrinofysica een andere mengmatrix—de Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)-matrix—voor leptonen, die ook CP-schendende fasen kan bevatten. De omvang van de tot nu toe waargenomen CP-schending in deze sectoren lijkt echter te klein om volledig de baryonasymmetrie van het heelal te verklaren, wat wijst op de noodzaak van aanvullende bronnen van CP-schending buiten het Standaardmodel.

4. De Sakharov-voorwaarden voor Baryogenese

In 1967 formuleerde de Russische natuurkundige Andrei Sakharov drie noodzakelijke voorwaarden voor het creëren van een materie-antimaterie asymmetrie in het vroege heelal (Sakharov, 1967 [2]):

  1. Baryongetal Schending: Er moeten interacties of processen zijn die het netto baryongetal B veranderen. Als het baryongetal strikt behouden blijft, kan er geen asymmetrie tussen baryonen en antibaryonen ontstaan.
  2. C- en CP-schending: Transformaties die onderscheid maken tussen materie en antimaterie zijn essentieel. Als C en CP perfecte symmetrieën waren, zou elk proces dat meer baryonen dan antibaryonen creëert een spiegelproces hebben dat hetzelfde aantal antibaryonen als baryonen creëert, waardoor ze elkaar opheffen.
  3. Afwijking van Thermisch Evenwicht: In thermisch evenwicht verlopen de processen van deeltjescreatie en annihilatie evenveel voor- als achteruit, waardoor een balans wordt gehandhaafd. Een niet-evenwichtige omgeving—zoals een snel uitdijend en afkoelend heelal—maakt het mogelijk dat bepaalde processen een asymmetrie "bevriezen".

Elke levensvatbare theorie of mechanisme van baryogenese moet aan deze drie voorwaarden voldoen om de waargenomen materie-antimaterie onbalans te produceren.

5. Voorgestelde Mechanismen voor het Genereren van de Materie-Antimaterie Asymmetrie

5.1 Electroweak Baryogenese

Electroweak baryogenese stelt dat de baryonasymmetrie werd gegenereerd rond de elektroweak faseovergang (ongeveer 10−11 seconden na de Oerknal). Belangrijke punten:

  • Het Higgs-veld verkrijgt een niet-nul vacuümverwachtingswaarde, waardoor de elektroweak symmetrie spontaan wordt verbroken.
  • Niet-perturbatieve processen genaamd sphalerons kunnen baryon plus leptongetal (B+L) schenden terwijl ze baryon min leptongetal (B−L) behouden.
  • Een electroweak-faseovergang van de eerste orde (waarbij bubbels van het ware vacuüm ontstaan) zou de noodzakelijke afwijking van thermisch evenwicht kunnen creëren.
  • CP-schendende interacties in de Higgs-sector of via quark-menging zouden helpen de materie-antimaterie-ongelijkheid bij de bubbelwanden op te zetten.

Echter, in het parametergebied van het Standaardmodel (vooral met de ontdekte 125 GeV Higgs) is het onwaarschijnlijk dat de electroweak-faseovergang van de eerste orde was, en is de hoeveelheid CP-schending uit de CKM-matrix onvoldoende. Daarom suggereren veel theoretici fysica buiten het Standaardmodel—zoals extra scalair velden—om electroweak baryogenese haalbaarder te maken.

5.2 GUT-baryogenese

Grand Unified Theories (GUTs) streven ernaar de sterke, zwakke en elektromagnetische krachten te verenigen bij extreem hoge energieën (~1016 GeV). In veel GUT-modellen kunnen zware gaugebosonen of Higgsbosonen protonverval of processen die baryongetal schenden, bemiddelen. Als deze processen buiten thermisch evenwicht plaatsvinden in het vroege heelal, kunnen ze in principe een baryonasymmetrie genereren. Echter, CP-schending binnen deze GUT-kaders moet voldoende groot zijn, en de voorspelde snelheden van protonverval zijn niet waargenomen op de verwachte niveaus, wat beperkingen oplegt aan eenvoudigere GUT-baryogenese modellen.

5.3 Leptogenese

In leptogenese wordt eerst de asymmetrie tussen leptonen en antileptonen gegenereerd. Deze leptonasymmetrie wordt vervolgens gedeeltelijk omgezet in een baryonasymmetrie via sphaleronprocessen in het electroweak-tijdperk, die leptonen kunnen omzetten in baryonen. Een populair mechanisme is:

  1. Seesaw-mechanisme: Introduceer zware rechtshandige neutrino's (of andere zware leptonen).
  2. Deze zware neutrino's kunnen vervallen via CP-schendende processen, waardoor een asymmetrie in de leptonensector ontstaat.
  3. Sphaleron-overgangen zetten een fractie van deze leptonasymmetrie om in een baryonasymmetrie.

Leptogenese is aantrekkelijk omdat het de generatie van neutrino-massa's (waargenomen in neutrino-oscillaties) koppelt aan de kosmische materie-antimaterie asymmetrie. Het vermijdt ook enkele van de beperkingen die electroweak baryogenese teisteren, waardoor het een belangrijke kandidaat is in veel modellen van nieuwe fysica.

6. Lopende experimenten en toekomstige richtingen

6.1 Hoge-energieversnellers

Experimenten bij deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC)— met name het LHCb-experiment—zijn gevoelig voor CP-schendende effecten in vervalprocessen van B-mesonen, D-mesonen en andere hadronen. Door de mate van CP-schending te meten en deze te vergelijken met de voorspellingen van het Standaardmodel, hopen natuurkundigen discrepanties te vinden die kunnen wijzen op nieuwe fysica buiten het Standaardmodel.

  • LHCb: Gespecialiseerd in precisie-metingen van zeldzame vervallen en CP-schending in de b-quark sector.
  • Belle II (bij KEK in Japan) en het inmiddels afgeronde BaBar (bij SLAC) onderzochten ook CP-schending in B-meson systemen.

6.2 Neutrino-experimenten

Neutrino-oscillatie-experimenten van de volgende generatie zoals DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) in de Verenigde Staten en Hyper-Kamiokande in Japan streven ernaar de CP-schendende fase in de PMNS-matrix van neutrino's met hoge precisie te meten. Als neutrino's grote CP-schendende effecten vertonen, kan dat de zaak voor leptogenese als oplossing voor de materie-antimaterie-ongelijkheid versterken.

6.3 Zoektochten naar protonverval

Als GUT-baryogenese-scenario's correct zijn, kan protonverval een aanwijzing zijn. Experimenten zoals Super-Kamiokande (en uiteindelijk Hyper-Kamiokande) stellen strikte grenzen aan de levensduur van het proton voor verschillende vervalroutes. Elke ontdekking van protonverval zou een mijlpaal zijn, die sterke aanwijzingen geeft over baryongetal-schending bij hoge energieën.

6.4 Axion-zoektochten

Hoewel niet direct verbonden met baryogenese in de standaardzin, kunnen axionen (veronderstelde deeltjes gerelateerd aan het sterke CP-probleem) ook een rol spelen in de thermische geschiedenis van het vroege universum en de mogelijkheid van materie-antimaterie asymmetrie. Axion-zoektochten blijven daarom een belangrijk onderdeel van de puzzel.

Conclusie

De kosmische overheersing van materie boven antimaterie blijft een van de belangrijkste open vragen in de fysica. Het Standaardmodel biedt een kader voor enige CP-schending, maar niet genoeg om de waargenomen asymmetrie te verklaren. Dit verschil wijst op de noodzaak van nieuwe fysica—ofwel bij hogere energieën (bijv. GUT-schaal) of via extra deeltjes en interacties die we nog moeten ontdekken.

Hoewel elektroweak baryogenese, GUT baryogenese en leptogenese allemaal plausibele mechanismen zijn, is er veel meer experimenteel en theoretisch werk nodig. Lopende hoogprecisie-experimenten in colliderfysica, neutrino-oscillaties en zeldzame vervalonderzoeken—samen met astrofysische waarnemingen—blijven deze theorieën testen. Het antwoord op waarom materie het won van antimaterie belooft niet alleen ons begrip van de oorsprong van het universum te verdiepen, maar kan ook fundamenteel nieuwe aspecten van de realiteit onthullen.

Voorgestelde bronnen en verdere literatuur

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Bewijs voor de 2π-verval van het K20-meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Link]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Schending van CP-invariantie, C-asymmetrie en baryonasymmetrie van het universum.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Een uitgebreide bron van data en reviews over deeltjes eigenschappen, CP-schending en fysica voorbij het Standaardmodel.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Recent Progress in Baryogenesis.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “The Origin of the Matter-Antimatter Asymmetry.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Een klassiek werk over kosmologische processen, inclusief baryogenese.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Behandelt inflatie, nucleosynthese en baryogenese in detail.

Deze werken bieden gezamenlijk een diepere theoretische en experimentele achtergrond over CP-schending, baryongetal-schending en de potentiële mechanismen voor de kosmologische materie-antimaterie asymmetrie. Naarmate nieuwe experimentele gegevens binnenkomen, komen we dichter bij het beantwoorden van een van de meest fundamentele vragen over ons universum: Waarom is er iets in plaats van niets?

 

← Vorig artikel                    Volgend artikel →

 

 

Terug naar boven

Terug naar blog