Materie en anti-materie:
het mysterie van CP-schending
Vlindernevel
Foto: Very Large Telescope, Chili, ESO
De wereld om ons heen is opgebouwd uit deeltjes. Uit elektronen bijvoorbeeld, en uit quarks die de bouwstenen zijn van de protonen en neutronen in atoomkernen. In 1932 werd echter voor het eerst een ander deeltje ontdekt. Het deeltje leek precies op een elektron maar droeg een tegengestelde elektrische lading. Deze positief geladen tegenhanger van het elektron bleek een 'anti-deeltje' en werd positron genoemd. Niet alleen het elektron heeft zijn anti-deeltje, ook alle andere deeltjes hebben zo'n tegenhanger. Je kunt je zelfs voorstellen dat er een wereld bestaat die helemaal uit antideeltjes is opgebouwd. Je zou iemand uit die wereld overigens niet de hand moeten schudden: als materie en antimaterie elkaar ontmoeten vernietigen zij elkaar en komt energie vrij. Hoe komt het dat ons Heelal uit (overwegend) materie bestaat? Volgens de meest gangbare theorie zijn tijd en ruimte ooit ontstaan tijdens de Oerknal. Daarbij werd ook een gigantische hoeveelheid energie gecreëerd waaruit evenveel materie als antimaterie ontstond. Deze materie en antimaterie hadden elkaar vervolgens weer kunnen vernietigen, maar dat is niet gebeurd. Kennelijk ontstond een overschot aan materie waaruit ons Heelal en wijzelf zijn opgebouwd. Welk mechanisme hierbij een rol heeft gespeeld is niet helemaal duidelijk.
Kaonen kunnen via het W-deeltje overgaan in hun anti-deeltje en weer terug
Hoe zou een anti-wereld er uitzien? Tot aan 1964 dacht men dat de wereld er precies hetzelfde uit zou zien wanneer je elk deeltje in het heelal zou vervangen door zijn anti-deeltje. Op voorwaarde dat je tegelijkertijd de 'spin' van elk deeltje - dit is de tolbeweging om zijn eigen as - zou omdraaien. Men dacht namelijk dat in zo'n gespiegelde anti-wereld precies dezelfde natuurkundige wetten golden als in onze eigen wereld. In meer natuurkundige termen: de wetten van de natuurkunde veranderen niet wanneer gelijktijdig omkering van lading (deeltjes omzetten in anti-deeltjes) en pariteit (spiegelen van ruimte, waardoor linksdraaiende spin omgezet wordt in rechtsdraaiende spin en vice versa) plaatsvindt. Dit wordt CP-symmetrie genoemd.
Computersimulatie van het verval van een B-meson in de HERA-B detector
In 1964 werd echter een schending van deze symmetrie gevonden. Dat gebeurde tijdens metingen aan elektrisch neutrale kaonen, exotische deeltjes die uit een quark en een antiquark bestaan. Kaonen zijn instabiel en vervallen binnen korte tijd naar bijvoorbeeld twee pionen. Tijdens hun korte leven kunnen ze onder invloed van de zwakke kracht spontaan overgaan in hun antideeltje en weer terug. Men krijgt daardoor in feite te maken met deeltjes die ten dele het karakter hebben van materie en ten dele van antimaterie. Zeer nauwkeurige metingen aan het verval van deze merkwaardige objecten naar pionen toonden tot ieders verrassing een kleine schending van CP-symmetrie. Voor deze observatie werd in 1980 een Nobelprijs uitgereikt.
Tijdens proton-proton botsingen in de LHC-versneller op CERN worden B-mesonen geproduceerd. Het zijn kortlevende deeltjes: voordat ze de detector bereikt hebben, vervallen ze naar andere deeltjes. Deze vervalsproducten, die ontstaan in een kegel rondom de bundelpijp, worden vervolgens gedetecteerd in de 18 meter lange detector. Verschillende detectoronderdelen volgen de deeltjes en identificeren hun eigenschappen. Uiteindelijk hoopt men met nauwkeurige meting van de vervalswijzen van B-mesonen de bron van CP-schending te vinden.
Tot nu toe is CP-schending alleen bij kaonen waargenomen. We weten dus niet of het een specifieke eigenschap is van kaonen of een consequentie van de basiswetten van de natuurkunde. Het is belangrijk om dit weten want juist dit verschijnsel zou kunnen verklaren waarom er een overschot aan materie in ons Heelal ontstond.
HERA-B
Tussen nu (bij DESY in Hamburg) en 2005 (bij CERN in Genève) zal het voor het eerst mogelijk zijn om CP-schending op een nieuw gebied te onderzoeken, namelijk bij het verval van B-mesonen. Net zoals kaonen bestaan B-mesonen uit een quark en een antiquark. En neutrale B-mesonen hebben eveneens de eigenschap dat ze spontaan overgaan naar hun anti-deeltje en weer terug. Via het verval van B-mesonen kan CP-schending veel nauwkeuriger worden waargenomen dan door studie van kaonen. Er zijn vele vervalswijzen van B-mesonen, die gevoelig zijn voor verschillende parameters van de theorie. Het moet daarom mogelijk zijn de bron(nen) van CP-schending eenduidig te identificeren.
Schematische overzicht van het HERA-B experiment bij de HERA-versneller in DESY.
De eerste metingen aan B-mesonen zullen vanaf 1999 plaatsvinden bij het HERA-B-experiment bij DESY in Hamburg. Bij DESY worden B-mesonen gemaakt door met de HERA-versneller protonen op een stilstaande trefplaat te schieten. Hun aantal is te gering om de precieze oorsprong van CP-schending te achterhalen, maar de metingen kunnen wel uitwijzen of inderdaad CP-schending in B-mesonen optreedt. De LHC proton-protonversneller op CERN zal een overvloed aan B-mesonen produceren. Bij het LHCb-experiment, een van de vier experimenten bij LHC, zullen deze B-mesonen vanaf 2005 gemeten worden. LHCb zal dan moeten uitwijzen wat de oorsprong is van CP-schending en of radicaal nieuwe natuurkundige wetten nodig zijn voor de beschrijving van dit fenomeen.
Terug naar de index.