Astrofysici ontdekken 14 kandidaat-‘antisterren’ in onze Melkweg

Een team astrofysici van het IRAP, het Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, te Toulouse, heeft o.l.v. Simon Dupourqué en Peter van Ballmoos, onderzoek gedaan naar mogelijke sterren opgebouwd uit antimaterie of kortweg ‘antisterren’ (Fr. ‘antietoiles’) in onze Melkweg. Het team identificeerde enkele signalen die duiden op sterren opgebouwd uit antimaterie en men berekende hoeveel er zich in onze Melkweg zouden kunnen bevinden. Sterren die volledig bestaan uit antimaterie klinkt als sciencefiction. Het is bekend dat de botsing tussen antimaterie en materie gammastraling produceert, de meest energetische vorm van straling. Daarom gebruikte het team van IRAP data van de Fermi Gamma-ray ruimtetelescoop om het maximale aantal antisterren in onze Melkweg te schatten. De resultaten van IRAP-onderzoek zijn op 28 april j.l. gepubliceerd in Physical Review D. Antimaterie is de tegenhanger van ‘gewone’ (baryonische) materie, elk elementair deeltjes heeft zijn antideeltje, zijn fysische eigenschappen zijn hetzelfde, alleen de elektrische lading is tegegesteld. Als een materiedeeltje op zijn tegenhanger botst, heffen ze elkaar op, dit resulteert in een enorme uitbarsting van energie. Antimaterie lijkt zeldzaam, er zijn bv weinig positronen (antideeltje van het elektron) en antiprotonen gedetecteerd, o.a. bij natuurljke fenomenen als bolbliksems of plasmajets van neutronensterren en kunstmatige productie vindt plaats in de LHC. Toch zouden beide toestanden van materie in gelijke hoeveelheden bij de oerknal moeten zijn gemaakt, maar materie lijkt dominant.
Lees verder

CERN-experiment geeft inzicht in waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is

In 1932 ontdekte Carl Anderson in de kosmische straling het deeltje genaamd positron. Het heeft dezelfde massa als het electron, maar een tegengestelde lading. Het was voor het eerst dat antimaterie werd ontdekt. Tijdens de oerknal zouden materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden moeten zijn ontstaan. Maar als materie en antimaterie tegen elkaar botsen dan annihileren ze tot licht (fotonen) en in de extreem dichte omstandigheden van de oerknal zou dat betekenen dat er alleen een heelal vol met licht overblijft. Maar zo’n heelal hebben we gelukkig niet, het heelal bestaat voor het allergrootste gedeelte uit materie en maar een fractie uit antimaterie (los van donkere materie en donkere energie).

Credit: CERN

Natuurkundigen denken dat tijdens de oerknal er iets meer materie dan antimaterie was – pakweg in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie – en na een grootschalig annihilatieproces bleef er alleen wat materie over [1]Jawel, in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie. Dat betekent dat alle materie in het heelal zoals wij dat kennen, alle sterren, sterrenstelsels, gas, … Continue reading. Dat is de reden dat het tegenwoordige heelal vrijwel geheel uit materie bestaat en dat er zo veel straling in het heelal is (straling afkomstig van de annihilaties, nu uitgedund tot de kosmische microgolf-achtergrondstraling, 411 fotonen per cm³). Grote vraag is welk proces dat kleine overschot van materie boven antimaterie veroorzaakte. Daar zijn ze al jaren mee bezig om te beantwoorden.

Credit: Maximilien Brice et al./CERN

Een recent experiment bij CERN in Genève heeft recent meer inzicht gegeven in dat proces. Bij het LHCb experiment (zie foto hierboven) werken ze met neutrale Bº mesonen, die ze in de Large Hadron Collider van CERN produceren door protonen tegen elkaar te laten botsen. Dat gebeurt in de LHCb detector, naast ATLAS, CMS en Alice één van de vier grote detectoren van de LHC. Die neutrale Bº mesonen bestaan uit een quark en een antiquark en ze leven héél kort, waarna ze vervallen in stabiele deeltjes, in dit geval pionen en kaonen. Gedurende hun korte levensduur kunnen ze oscilleren in neutrale anti-Bº mesonen en weer terug in gewone neutrale Bº mesonen, wel drie biljoen keer per seconde. De LHC produceert naast Bº mesonen ook anti-Bº mesonen, die dezelfde oscillatie ondergaan. Als je de geproduceerde hoeveelheid Bº mesonen en anti-Bº mesonen exact telt en daarna kijkt hoeveel er vervallen in stabiele deeltjes zouden de aantal hetzelfde moeten zijn. Maar dat is niet zo, er is een lichte asymmetrie, het aantal vervallen Bº mesonen is iets groter dan het aantal anti-Bº mesonen. Het theoretische kader voor de asymmetrie is al langer bekend, via het zogeheten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanisme, maar nu is ‘ie ook daadwerkelijk gemeten. Het CKM-mechanisme is niet genoeg om het volledige surplus van materie boven antimaterie tijdens de oerknal te verklaren, maar het geeft de natuurkundigen in ieder geval wel meer inzicht in de processen die hierbij spelen. Hier het vakartikel over de experimenten met de LHCb. Bron: The Conversation.

References[+]

References
1 Jawel, in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie. Dat betekent dat alle materie in het heelal zoals wij dat kennen, alle sterren, sterrenstelsels, gas, stof, planeten, wij hier op aarde, gevormd is uit de materie, die na de annihilatie overbleef.

Fysici van CERN ontwikkelen verplaatsbare antiprotonval ‘BASE-Step’

Bij CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, gehuisvest te Genève, wordt fundamenteel natuurkundig onderzoek verricht naar elementaire deeltjes. Voor onderzoek en dagelijkse productie van antiprotonen wordt bij het CERN de ‘antiproton-decelerator’ of kortweg, de ‘AD’ gebruikt. Deze installatie is momenteel de enige in zijn soort waar op dagelijkse basis antimaterie geproduceerd wordt. Het BASE-team van CERN voert dit specifieke onderzoek uit en zit achter verschillende doorbraken op het gebied van antimaterie. Om deze complexe materie beter te verkennen heeft het team de zogenoemde ‘BASE-Step ontwikkeld, een verplaatsbare antiprotonval. Men kan deze installatie verplaatsen naar plekken die gunstiger zijn voor antimaterie productie.

Lees verder

Materie overvloed verklaard door detectie kosmische snaren in toekomst mogelijk

De strijd tussen materie en antimaterie werd 14 miljard jaar geleden uitgevochten en materie won. Hoe kwam dit en waarom is er niet meer antimaterie aangetroffen in het heelal? Een groot internationaal team van theoretisch natuurkundigen verbonden aan het Japanse Kavli Instituut (IPMU) heeft een nieuwe theorie voorgesteld, welke deze imbalans tussen materie en antimaterie mogelijk zou kunnen verklaren en ook hoe men hier direct bewijs van zou kunnen vinden. Het wetenschappelijk artikel is getiteld; ‘Testing the Seesaw Mechanism and Leptogenesis with Gravitational Waves’ door Jeff A. Dror, Hitoshi Murayama e.v.a. en verscheen in januari j.l. in Physical Review Letters. * Lees verder

Hebben de mysteries rondom antimaterie en donkere materie soms iets met elkaar te maken?  

Donkere materie is indirect al aangetoond, zoals in deze clusters van sterrenstelsels, waar het in blauw is weergegeven. Credit: NASA en ESA.

Al tientallen jaren breken sterrenkundigen én natuurkundigen zich het hoofd over antimaterie en donkere materie. De eerste is de materie die opgebouwd is uit antideeltjes, de tweede is de materie die (vermoedelijk) bestaat uit deeltjes die alleen via de zwaartekracht en wellicht ook via de zwakke wisselwerking met gewone deeltjes reageren. Vooralsnog zijn antimaterie en donkere materie één groot mysterie voor de wetenschappers. In theorie zou er net zoveel materie als antimaterie moeten zijn, maar in de praktijk bestaat 99,99% van het heelal alleen uit materie, da’s het mysterie van de antimaterie [1]Preciezer: op elke miljard deeltjes in het heelal komt er één antideeltje voor.. En wat is precies donkere materie, dat alleen indirect aangetoond is, maar waarvan men nog geen enkel direct bewijs heeft, terwijl 85% van alle massa in het heelal donker is (26% van alle massaenergie), zie daar het mysterie van de donkere materie. Onlangs deed een team onderzoekers onder leiding van Stefan Ulmer (International BASE collaboration van het RIKEN Cluster for Pioneering Research) een experiment, dat uitging van een opvallende gedachte: hebben die mysteries rondom antimaterie en donkere materie soms iets met elkaar te maken? Zou het kunnen dat de asymmetrie tussen materie en antimaterie komt omdat antimaterie anders reageert op donkere materie dan materie?

Schematische weergave van een Penning val. Credit: Dhdpla at English Wikipedia

In een laboratoriumexperiment maakte men gebruik van een zogeheten ‘Penning val’ om een enkel antiproton in een magnetisch veld te vangen en te voorkomen dat ‘ie met een gewoon proton zou ‘botsen’ en tot licht zou annihileren (zie de afbeelding hierboven). Daarbij mat men van het antiproton diens ‘spin precessie frequentie’, iets wat normaal gesproken constant zou moeten zijn. Er werd inderdaad geen andere frequentie gemeten, maar in theorie zou het kunnen dat áls antiprotonen reageren op axionen – dat zijn hypothetische lichte deeltjes donkere materie – dat die frequentie dán veranderd. De BASE groep wil nu verder werken aan het gevoeliger maken van de instrumenten om te kijken of een minieme verandering van de frequentie wel meetbaar is. Hier het vakartikel over het experiment, verschenen in Nature (zie ook deze review van dat artikel). Bron: Science Daily.

References[+]

References
1 Preciezer: op elke miljard deeltjes in het heelal komt er één antideeltje voor.

New Scientist organiseert reis naar CERN

Als je deeltjesfysica als een soort tak van sport ziet is deze reis naar CERN misschien wel de Olympische Spelen van de natuurkunde. Het CERN, met zes deeltjesversnellers, heeft wel een aantal records, het is het duurste en grootste door mensen gemaakte bouwwerk op aarde. Dus voor iedereen die hier meer dan gemiddelde interesse in heeft is daarom deze reis die het populair-wetenschappelijk tijdschrift New Scientist begin zomer naar het CERN van 3 tot en met 6 juni a.s. organiseert zowel een bijzondere kans als alternatief reisdoel om dit ‘wonder der techniek’ eens met eigen ogen te aanschouwen. Topwetenschappers in de theoretische en toegepaste fysica geven lezingen, heten de bezoekers welkom, introduceren en begeleiden de bezoeken aan de detectoren zoals de ATLAS en de CMS. Lees verder

Mini-deeltjesversneller concept voor antimaterie voorgesteld

Om kleinere en praktische deeltjesversnellers te bouwen heeft natuurkundige Dr. Aakash A. Sahai, van het Imperial College London met behulp van computersimulaties getracht nieuwe methodes, te vinden voor het versnellen van antimaterie deeltjes. Zijn artikel is in augustus j.l. verschenen in het Physical Review Journal of Accelerators and Beams. Lees verder

Positron Dynamics richt zich op hyper efficiënte voortstuwing voor cubesats

Positron Dynamics oprichter Ryan Weed, bouwt aan raketaandrijving m.g.v. van antimaterie. Weed ziet ongekende mogelijkheden waaronder interstellaire reizen naar Kepler 452b en de randen van het universum. Hyper efficiënte voortstuwing voor cubesats en ondersteuning van elektriciteitsvoorzieningen vormen een breed scala aan verdere toepassingen. Lees verder

Kan het neutrino schommel-mechanisme voor de materie-antimaterie asymmetrie hebben gezorgd?

Het super-Kamiokande neutrino observatorium. Credit: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Er is veel meer materie dan antimaterie in het heelal. Gelukkig maar, want als het in gelijke hoeveelheden voorkomt en materie en antimaterie komen met elkaar in aanraking, dan annihileren ze en veranderen ze in licht, hetgeen voor het heelal niet goed zou zijn. Deze zogeheten Baryon asymmetrie moet in het vroege heelal ontstaan zijn, maar hoe dat precies gebeurd is dat is nog een raadsel. Volgens het Standaard Model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten zouden er eigenlijk gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten zijn, want voor beiden geldt de CP-symmetrie, dat is symmetrie van lading (‘charge’) en pariteit (‘parity’). Bij quarks is al lang geleden ontdekt dat die soms de CP-symmetrie schenden en dat quarks zich anders gedragen dan antiquarks. Nu blijkt echter uit experimenten uitgevoerd met het T2K experiment in Japan, waarbij bundels neutrino’s en antineutrino’s worden geproduceerd in Tokai en gestuurd naar het ondergrondse Super-Kamiokande neutrino observatorium (zie afbeelding hierboven) in Kamioka, 320 km verderop, dat mogelijk ook de neutrino’s aan CP-schending doen.

Neutrino oscillaties. Credit: Matt Strassler

Er zijn drie soorten neutrino’s – elektron, muon en tau neutrino’s – en sinds 1998 weet men dat deze kunnen ‘oscilleren’, waarbij ze van de ene smaak (‘flavor’) over kunnen gaan in de andere smaak. Om te kunnen oscilleren moeten de neutrino’s een quantum-mechanische mix of “superpositie” van drie mogelijke massa’s zijn. Dat is op zich al vreemd, want volgens het Standaard Model zouden ze massaloos moeten zijn, net als de fotonen. Naast de drie smaken neutrino’s zijn er ook drie smaken antineutrino’s, die ook in elkaar kunnen oscilleren. Eerder was al waargenomen dat er een belangrijk verschil tussen de neutrino’s en antineutrino’s is: alle neutrino’s zijn linkshandig – ze draaien met de klok mee ten opzichte van hun bewegingsrichting – en alle anti-neutrino’s zijn rechtshandig.

Credit: Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

Volgens de CP-symmetrie van het Standaard Model zouden neutrino’s en antineutrino’s in dezelfde mate moeten oscilleren. Om dat te onderzoeken keek men bij het T2K experiment naar oscillaties tussen de smaken elektron en muon. Bij CP symmetrie zouden ze 23 elektron neutrino’s en 7 elektron antineutrino’s moeten zien, bij maximale CP schending zouden dat er 27 respectievelijk 6 moeten zijn. Wat kwam uit de experimenten naar voren: men zag 32 elektron neutrino’s en 4 elektron antineutrino’s! Een duidelijker schending van de CP-symmetrie is er niet. Wel gelijk vermelden dat dit maar één experiment is dat deze schending gedetecteerd heeft en de statistische betrouwbaarheid van de meting is met 2? niet hoog, maar toch…

Credit afbeelding: FNAL

Men denkt nu dat als neutrino’s inderdaad aan CP-schending doen dat er een mechanisme is wat dat veroorzaakt, iets wat men het schommel mechanisme noemt (‘Seesaw mechanism’, zie afbeelding hierboven). Volgens dat mechanisme zouden de lichte linkshandige neutrino’s een zware partner moeten hebben, die rechtsdraaiend is, de lichte, rechtshandige antineutrino’s zouden een zware, linkshandige antipartner moeten hebben. Neutrino’s én antineutrino’s zouden Majorana deeltjes zijn, die van de ene in de andere kunnen veranderen en die identiek zijn, behalve dan hun links- of rechtshandigheid. Het idee is nu dat het vroege heelal dicht bevolkt was met die zwaardere neutrino’s en antineutrino’s uit het schommel mechanisme. Als neutrino’s inderdaad aan CP-schending doen dan zou het kunnen dat de zwaardere neutrino’s en antineutrino’s in dat vroege heelal vervielen en dat daarbij meer materie ontstond dan antimaterie. En dat zou dan mogelijk een verklaring geven voor de waargenomen baryon asymmetrie. Hieronder tenslotte nog een video over de rol van symmetrie in de natuur.

Bron: Quanta Magazine.

Vorderingen bij onderzoek naar het materieoverschot in het heelal

Waarom is er meer materie dan antimaterie in het heelal?

Er komt veel meer materie dan antimaterie voor in het heelal, een waargenomen verschijnsel dat niet verklaard kan worden door het Standaard Model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten. Sinds de beroemde Sovjet-natuurkundige Andre Sacharov er eind jaren zestig ideeën over lanceerde houden wetenschappers zich bezig met deze materie-antimaterie asymmetrie. Onlangs zijn op twee manieren vorderingen geboekt bij de speurtocht naar de oorzaak van de asymmetrie:

  • Uit gegevens verzameld met de Amerikaanse gammasatelliet Fermi blijkt dat er mogelijk in het heelal ‘linkshandige’ magneetvelden voorkomen en dat deze verband kunnen houden met het ontstaan van de asymmetrie, kort na de oerknal, welke 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond. in de eerste momenten van het heelal trad het Higgs mechanisme op, waarbij elementaire deeltjes zoals elektronen en quarks door interactie van het Higgs boson hun massa kregen. Daar zou zich volgens sommige uitbreidingen van het Standaard Model ook een linkshandig magnetisch veld bij kunnen hebben gemanifesteerd en dat zou een rol kunnen hebben gespeeld in het overschot van materie boven antimaterie.

    Waarnemingen aan gammabronnen aan de hemel met de Fermi satelliet, waarbij gekeken is naar spiraalvormen in de straling. Rode stippen geven zeer energierijke gammabronnen aan, blauwe en groene stippen zijn minder energierijk. Credit: Vachaspati  et al.

    Men denkt dat het door de hele kosmos aanwezige magnetische veld ook een rol kan hebben gespeeld bij de vorming van de eerste sterren in het heelal én dat het de veel krachtiger magnetische velden van (clusters van) sterrenstelsels kan hebben ingeluid.

  • De andere progressie op dit terrein is gedaan bij de Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genéve. Gisteren zijn in het tijdschrift Nature de resultaten gepubliceerd – hier volledig te lezen – van experimenten die gedaan zijn met de CMS en LHCb detectoren, beiden verbonden aan de LHC. Bij die experimenten in 2011 en 2011 (tijdens Run 1 – de volgende Run 2 start volgende maand) is gekeken naar het verval van het Bs meson in een muon en antimuon. Dat in 2006 bij Fermilab ontdekte meson is een vreemd, zwaar deeltje, dat bestaat uit een ‘bodem’ antiquark en een ‘vreemd’ quark en dat voortdurend heen en weer oscilleert tussen z’n materie en antimaterie staat.

    Credit: CMS/LHCb

    Theorieën hadden voorspeld dat het verval van het B meson in twee muonen in vier op de miljard gevallen zou plaatsvinden. De uitkomst van de experimenten (zie afbeelding hierboven) toont precies dit aantal aan, een perfecte bevestiging van de theorie. Men denkt dat ook deze deeltjes een rol kunnen hebben gespeeld bij het ontstaan van het materieoverschot in het vroege heelal.

Bron: RAS + Symmetry Magazine + Francis Naukas.