Profielwerkstuk
2016
Het
Mysterie
van
de
Antimaterie
Beeftink,
Timon
&
Bruintjes,
Merel
,
2
Het
Mysterie
van
de
Antimaterie
, Inhoudsopgave
3
Inhoudsopgave
Inleiding
.............................................................................................................................
5
1.0
Materie
........................................................................................................................
6
1.1
Wat
is
materie?
.............................................................................................................................................................
6
1.1.1
Materie
&
oudheid
....................................................................................................................................................
6
1.1.2
(On)deelbaar
...............................................................................................................................................................
6
1.1.3
Het
zonnestelselmodel
............................................................................................................................................
7
1.2
Bouwstenen
van
materie
..........................................................................................................................................
8
1.2.1
Fermionen
....................................................................................................................................................................
8
1.2.2
Bosonen
.........................................................................................................................................................................
9
1.3
Fundamentele
natuurkrachten
...........................................................................................................................
10
1.3.1
Zwaartekracht
........................................................................................................................................................
10
1.3.2
Elektromagnetische
kracht
...............................................................................................................................
10
1.3.3
Sterke
kernkracht
..................................................................................................................................................
11
1.3.4
Zwakke
kernkracht
...............................................................................................................................................
11
1.4
Het
higgsboson:
de
‘einzelgänger’
.....................................................................................................................
12
1.4.1
Het
Higgsveld
...........................................................................................................................................................
12
1.4.2
Het
higgsdeeltje
......................................................................................................................................................
12
1.5
Conclusie
.......................................................................................................................................................................
13
2.0
Antimaterie
................................................................................................................
14
2.1
Moderne
natuurkunde
............................................................................................................................................
14
2.1.1
Kwantummechanica
.............................................................................................................................................
14
2.1.2
Relativiteitstheorie
................................................................................................................................................
16
2.1.3
Combinatie
van
theorieën
..................................................................................................................................
17
2.2
Diracs
hypothese
.......................................................................................................................................................
17
2.3
Het
bestaan
van
antimaterie
................................................................................................................................
18
2.3.1
Praktische
opdracht
..............................................................................................................................................
18
2.4
Conclusie
.......................................................................................................................................................................
18
3.0
Symmetrieën
en
behoudswetten
................................................................................
19
3.1
Wat
is
symmetrie?
....................................................................................................................................................
19
3.1.1
Pariteitssymmetrie
(P)
........................................................................................................................................
20
3.1.2
Ladingsomkeringssymmetrie
(C)
....................................................................................................................
20
3.1.3
Tijdsomkeringssymmetrie
(T)
..........................................................................................................................
21
3.2
Combinaties
van
symmetrieën
...........................................................................................................................
21
3.2.1
CP-‐symmetrie
...........................................................................................................................................................
21
3.2.2
CPT-‐symmetrie
........................................................................................................................................................
21
3.3
Behoudswetten
..........................................................................................................................................................
22
3.3.1
Behoud
van
baryongetal
.....................................................................................................................................
22
3.3.2
Behoud
van
leptongetal
......................................................................................................................................
23
3.4
Conclusie
.......................................................................................................................................................................
23
4.0
Materie-‐antimaterie
asymmetrie
...............................................................................
24
4.1
De
kosmos:
oorsprong
en
eind
............................................................................................................................
24
4.2
Waarom
zien
we
alleen
materie?
.......................................................................................................................
25
4.2.1
Het
grote
raadsel
...................................................................................................................................................
25
4.2.2
Populaire
oplossing
...............................................................................................................................................
26
4.2.3
Alternatieve
oplossing
.........................................................................................................................................
27
4.3
Waar
kunnen
we
toch
antimaterie
vinden?
..................................................................................................
28
4.4
Conclusie
.......................................................................................................................................................................
28
5.0
Eindconclusie
.............................................................................................................
29
, Inhoudsopgave
4
Nawoord
..........................................................................................................................
30
Merel
......................................................................................................................................................................................
30
Timon
.....................................................................................................................................................................................
30
Dankwoord
......................................................................................................................
31
Bronnenlijst
.....................................................................................................................
32
, Inleiding*
5
Inleiding*
Wanneer
je
om
je
heen
kijkt,
is
het
lastig
voor
te
stellen
dat
alles
bestaat
uit
kleinere
deeltjes.
Stel
je
het
volgende
voor:
je
vindt
dit
verslag
zo
slecht,
dat
je
hem
wilt
verscheuren.
Aan
het
begin
zal
dit
verscheuren
gemakkelijk
verlopen,
je
begint
namelijk
met
papier
op
A4-‐formaat.
Echter,
hoe
langer
je
scheurt,
hoe
kleiner
de
stukjes
papier
worden.
Op
een
gegeven
moment
worden
de
stukjes
te
klein
om
nog
met
je
nagels
te
kunnen
scheuren
en
geef
je
de
hoop
op.
Ook
al
zijn
de
stukjes
nog
zo
klein,
je
hebt
nog
steeds
papier
in
handen.
Om
op
nog
kleiner
niveau
te
komen,
heb
je
geavanceerde
technieken
nodig
die
je
uiteindelijk
brengen
naar
het
niveau
waarop
duidelijk
wordt
waar
papier
uit
bestaat:
moleculen.
Deze
moleculen
bestaan
uit
verschillende
atomen,
die,
wanneer
ze
een
andere
rangschikking
gehad
zouden
hebben,
net
zo
goed
een
klontje
suiker
hadden
kunnen
vormen.
Het
is
dus
niet
alleen
het
papier
dat
uit
moleculen
bestaat:
alles
om
je
heen
bestaat
uit
moleculen
(en
atomen).
Zo
ook
de
lucht,
dat
op
het
eerste
oog
‘gewoon’
leeg
lijkt.
Naast
materie,
blijkt
dat
er
ook
antimaterie
bestaat.
Zoals
het
woord
al
impliceert,
is
antimaterie
het
tegenovergestelde
van
materie.
Stel
je
het
volgende
voor:
je
vindt
dit
antiverslag
zo
slecht,
dat
je
hem
wilt
verscheuren.
Je
zult
dan
uiteindelijk
uitkomen
op
antimoleculen
en
antiatomen,
die
net
zo
goed
een
anti-‐suikerklontje
hadden
kunnen
vormen.
Op
een
koude
winterdag
gebruik
je
dit
anti-‐suikerklontje
om
extra
smaak
aan
je
antithee
toe
te
voegen.
Echter,
wanneer
je
je
vergist
en
het
anti-‐suikerklontje
in
normale
thee
oplost,
ontstaat
er
een
probleem:
materie
en
antimaterie
zijn
bepaald
geen
vriendjes
van
elkaar;
je
kunt
ze
ter
illustratie*
ook
wel
voorstellen
als
man
en
vrouw.
Materie
(man)
en
antimaterie
(vrouw)
maken
hevige
ruzie
wanneer
ze
elkaar
tegen
komen.
Om
de
ruzie
te
stoppen,
besluiten
ze
om
beide
‘geslachtsloos’
te
worden.
Zo
kunnen
materie
en
antimaterie
na
de
transformatie
vredig
leven.
Nu
doet
zich
echter
een
probleem
voor.
Ons
huidig,
wetenschappelijk
denkbeeld
wijst
erop
dat
het
heelal,
en
uiteindelijk
onze
aarde,
is
ontstaan
door
middel
van
een
oerknal.
Tijdens
deze
oerknal
waren
er
net
zoveel
‘mannen’
(materie)
als
‘vrouwen’
(antimaterie)
aanwezig.
Terwijl
je
dit
leest,
bevind
je
je
in
een
wereld
vol
materie.
Hoe
kan
het
dat
er
meer
‘mannen’
dan
‘vrouwen’
zijn?
Net
als
mannen
is
materie
blijkbaar
dominant:
het
overheerst
in
een
wereld
waar
alleen
materie
aanwezig
is.
Waar
zijn
dan
de
‘vrouwen’
gebleven?
Zijn
deze
allemaal
geslachtsloos
geworden
terwijl
er
een
aantal
‘mannen’
over
is
gebleven?
Deze
vraag
staat
centraal
binnen
dit
profielwerkstuk.
Om
hier
antwoord
op
te
kunnen
geven,
moet
ook
gekeken
worden
naar
de
verschillen
tussen
de
‘mannen’
en
de
‘vrouwen’:
gedraagt
een
‘man’
zich
anders
dan
een
‘vrouw’?
Formeler
geformuleerd
luidt
de
hoofdvraag:
hoe
kan
het
dat
we
in
het
heelal
alleen
materie
aantreffen
en
hoe
kunnen
we
toch
op
zoek
naar
antimaterie?
Misschien
dat
er
ook
(onzichtbare)
werelden
zijn
waar
‘vrouwen’
dominant
zijn,
of
dat
er
een
‘vrouwenuniversum’
is.
Jammer
voor
de
vrouwelijke
lezers
onder
ons:
naar
onze
verwachting
zijn
alle
‘vrouwen’
geslachtloos
geworden
tijdens
de
oerknal
en
domineren
de
resterende
‘mannen’
in
het
heelal.
*
De
inleiding
is,
evenals
de
rest
van
het
verslag,
geschreven
voor
een
groot
publiek:
om
het
begrijpelijk
te
houden
voor
eenieder
worden
veel
voorbeelden
en
makkelijke
bewoordingen
gebruikt.
**
Deze
illustratie
is
fysisch
gezien
niet
helemaal
correct,
evenals
de
meeste
andere
illustraties
die
in
dit
verslag
gebruikt
worden;
zie
de
illustratie
dan
ook
vooral
als
een
verhelderingsmiddel.
, 1.0
Materie
6
1.0
Materie
1.1
Wat
is
materie?
Zoals
uit
de
inleiding
is
gebleken,
is
er
een
bepaald
niveau
waar
je
materie
aantreft.
Het
papier
van
dit
verslag
kun
je
verscheuren,
waarbij
je
op
een
gegeven
moment
een
niveau
bereikt
waar
je
niet
verder
kunt
scheuren;
het
papier
is
te
klein
voor
je
nagels.
Stel
dat
je
wel
verder
zou
kunnen
scheuren
en
het
papier
nog
verder
opdeelt;
zo
bereik
je
op
een
gegeven
moment
het
niveau
van
materie.
Dit
is
het
niveau
dat
de
eigenschappen
van
papier
bepaalt.
Maar
wat
is
deze
materie
precies?
Wat
zorgt
er,
naast
onze
interpretatie,
voor
dat
papier
papier
is?
Er
zijn
vele
wetenschappers
geweest
die
zich
hebben
beziggehouden
met
deze
vraag,
van
de
oudheid
tot
aan
de
21e
eeuw.
1.1.1
Materie
&
oudheid
Een
belangrijk
figuur
in
de
oudheid
(wat
betreft
materie)
is
Thales
van
Milete
(geboren
in
circa
624
v.Chr.).
Hij
stelde
dat
er
een
‘oermaterie’
bestond
waarvan
alle
andere
substanties
(vormen
van
materie)
waren
afgeleid.
Deze
oermaterie
noemde
hij
water;
een
belangrijk
element
uit
die
tijd.
1
Wat
Thales
onderscheidde
van
alle
andere
filosofen
van
die
tijd
was
dat
hij
geen
beroep
deed
op
bovennatuurlijke
verklaringen
maar
puur
vanuit
het
verstand
redeneerde
om
zo
de
natuur
van
materie
te
ontdekken.
In
de
jaren
na
Thales
waren
er
allerlei
filosofen
die
zijn
idee
aanhingen,
maar
een
ander
element
als
oermaterie
zagen.
Zo
ontstonden
er
verschillende
groeperingen,
waar
de
water-‐als-‐oermaterie-‐groep
en
vuur-‐als-‐oermaterie-‐groep
het
belangrijkste
deel
van
uitmaakten.
Een
oplossing
voor
deze
verdeeldheid
werd
geboden
door
Empedocles
(vijfde
eeuw
voor
Christus).
Hij
redeneerde
dat
de
wereld
niet
uit
één
basisstof
bestond,
maar
uit
vier:
water,
aarde,
vuur
en
lucht.2
Een
combinatie
van
deze
elementen
op
een
bepaalde
manier
zou
dan
de
materie
vormen,
zoals
het
papier
van
dit
verslag.
Tevens
nam
hij
aan
dat
de
materie
continu
was,
zodat
deze
in
steeds
kleinere
delen
kon
worden
verdeeld.
Het
eerste
idee
dat
materie
niet
continu
(discontinu)
zou
zijn,
kwam
van
de
Griekse
filosoof
Democritus.3
Zijn
idee
was
dat
er
op
een
bepaald
niveau
geen
verdere
verdeling
van
materie
mogelijk
is:
alles
bestaat
uit
onzichtbare
en
ondeelbare
deeltjes.
Deze
ondeelbare
deeltjes
noemde
hij
atomos
(Nederlands:
atomen),
wat
het
Griekse
woord
is
voor
‘onsnijdbaar’
(niet-‐
deelbaar).4
Volgens
zijn
idee
was
materie
dus
opgebouwd
uit
ondeelbare
deeltjes.
1.1.2
(On)deelbaar
Dit
idee
van
ondeelbaarheid
werd
lang
als
de
waarheid
beschouwt:
er
werden
verschillende
modellen
verzonnen
(door
onder
andere
John
Dalton)
en
materie
werd
gedefinieerd
als
“ondeelbare
deeltjes
en
lege
ruimte”.
5
Toch
was
er
een
aantal
onopgeloste
vraagstukken
binnen
de
natuurkunde
die
niet
verklaard
konden
worden
met
het
model
van
ondeelbaarheid.
Zo
is
het
model
van
materie
in
de
loop
der
jaren
sterk
veranderd:
van
ondeelbaar
naar
deelbaar.
Deze
verandering
is
begonnen
bij
de
natuurkundige
John
Joseph
Thomson.
Hij
ontdekte
(op
een
manier
die
in
dit
profielwerkstuk
niet
verder
toelicht
wordt)
het
bestaan
van
een
negatief
deeltje.
Na
veel
onderzoek
kwam
hij
er
achter
dat
dit
deeltje
deel
uitmaakte
van
de
zogenaamde
‘ondeelbare’
deeltjes.
Om
het
idee
van
ondeelbaarheid
te
verenigen
met
zijn
ontdekking,
ontwikkelde
hij
het
plumpuddingmodel
(ook
wel
‘krentenbolmodel’).
In
dit
model
zijn
de
negatieve
deeltjes
(later
elektronen
genoemd)
de
krenten.
Deze
worden
omgeven
door
een
positieve
brei:
het
deeg
van
de
krentenbol.
In
1909
gaf
Ernest
Rutherford
leiding
aan
een
(beroemd)
experiment
dat
het
krentenbolmodel
van
Thomson
testte. 6
In
dit
experiment
werden
deeltjes
die
ontstaan
door
1
Vogt,
2005
2
Vogt,
2005
3
Weinberg,
1983
4
Hawking,
1988
5
Weinberg,
1983
6
McPhee,
2011
, 1.0
Materie
7
radioactiviteit
op
heel
dun
goudfolie
geschoten.
Deze
deeltjes
kenden
een
hoge
snelheid,
en
zouden
volgens
het
krentenbolmodel
nauwelijks
afgebogen
moeten
worden,
om
zo
gemakkelijk
door
het
goudfolie
heen
te
schieten.
Echter,
het
bleek
(tot
ieders
verbazing)
dat
er
deeltjes
werden
teruggekaatst.
Dit
rijmde
niet
met
het
krentenbolmodel
van
Thomson
en
Rutherford
introduceerde
in
1911
zijn
eigen
atoommodel:
het
Rutherford-‐model
(ook
wel
het
‘zonnestelselmodel’).1
In
zijn
model
is
er
een
kern
(de
zon)
waar
allerlei
elektronen
(de
planeten)
omheen
draaien.
Dit
model
zegt
dus
dat
materie
is
opgebouwd
uit
combinaties
van
verschillende
deelbare
‘micro-‐zonnestelsels’.
Eén
zo’n
micro-‐zonnestelsel
wordt
een
atoom
genoemd
(ondanks
zijn
deelbaarheid
werd
het
inmiddels
ingeburgerde
woord
atoom
gehandhaafd)
en
een
combinatie
van
twee
of
meer
microstelsels
een
molecuul.
Hierbij
dient
wel
vermeld
te
worden
dat
het
zogenaamde
‘zonnestelselmodel’
een
te
simpele
weergave
van
de
werkelijkheid
is,
maar
wel
een
weergave
die
het
gemakkelijk
maakt
om
het
te
begrijpen.
1.1.3
Het
zonnestelselmodel
Om
te
begrijpen
wat
materie
precies
inhoudt,
kun
je
het
beste
een
zonnestelsel
voorstellen.
Dit
is
wel
een
heel
vreemd
en
klein
zonnestelsel:
de
planeten
zijn
allemaal
even
groot
en
de
zon
bestaat
(ter
illustratie)
uit
allemaal
‘ronde
verrassingseieren’.
Deze
verrassingseieren
vormen
de
kern
van
het
atoom.
Er
zijn
twee
soorten
verrassingseieren:
‘blauwe’
positieve
(protonen)
en
‘groene’
neutrale
(neutronen).
Een
duidelijk
plaatje
hierbij2:
In
dit
plaatje
zijn
er
‘planeten’
(rode
stippen)
die
om
de
‘zon’
heen
cirkelen.
Deze
‘planeten’,
ook
wel
elektronen,
hebben
een
negatieve
elektrische
lading
van
-‐1.
In
de
‘zon’
bevinden
zich
verschillende
verrassingseieren:
de
‘blauwe’
protonen
en
‘groene’
neutronen.
De
protonen
hebben
een
elektrische
lading
van
+1,
de
neutronen
van
0.
Stel
dat
je
weer
het
papier
van
dit
verslag
verscheurt
totdat
je
niet
meer
verder
kunt.
Op
een
gegeven
moment
bereik
je
het
niveau
van
materie,
iets
wat
hierboven
uitgebreid
is
behandeld.
Deze
materie
is
opgebouwd
uit
allerlei
deelbare
deeltjes,
ook
wel
atomen
genoemd.
Een
combinatie
van
zulke
atomen
vormt
een
molecuul.
Zoals
duidelijk
werd
in
de
inleiding,
kunnen
de
atomen
van
papier
in
een
andere
volgorde
net
zo
goed
een
suikerklontje
vormen.
Er
bestaan
allerlei
verschillende
soorten
atomen
die
een
andere
verhouding
van
protonen,
neutronen
en
elektronen
kennen.
Aan
de
hand
van
al
deze
verschillende
bouwstenen
(in
totaal
1183)
kun
je
alle
materie
om
ons
heen
bouwen.
Zo
bestaat
papier
voornamelijk
uit
koolstof-‐,
waterstof-‐
en
zuurstofatomen.
Deze
atomen
kunnen
in
een
hele
andere
rangschikking
ook
suiker
vormen.
Dus:
zowel
de
soort
atomen
als
de
rangschikking
van
deze
atomen
bepalen
de
eigenschappen
van
materie.
1
McPhee,
2011
2
Gaudel,
http://hseballnotes.blogspot.nl/2013/10/three-‐atomic-‐model-‐dalton-‐thomson-‐and.html
3
NVON-‐commissie,
2015
