Annihilatie van materie en antimaterie

[Opi]

Een suggestief artiekel in de Volkskrant wat wellicht interessant is. Er wordt hierin gesuggereerd dat antimaterie en materie elkaar bij contact niet per definitie annihileren. Echter wordt in een ander artikel aangegeven dat annihilatie niet plaatsvindt omdat de antimaterie deeltjes afgebogen worden en dat de antimaterie strikt genomen niet in contact komt met materie.

AMSTERDAM - Hoewel het in Dan Browns bestseller Agels and Demons bijna tot de vernietiging van het Vaticaan leidt, vernietingen materie en antimaterie elkaar niet per definitie bij de minste of geringste ontmoeting.

Dat melden Italiaanse natuurkundigen na heranalyse van een vijftien jaar oud experiment met deeltjes en hun antideeltjes in Geneve. Als antideeltjes langzaam hun materiële tegenhanger naderen is de kans aanzienlijk dat ze ongeschonden worden weggekaatst.

Antimateriedeeltjes zijn materiedeeltjes, maar met de tegengestelde elektrische lading. Antimaterie komt in de natuur niet voor. Wel is het te maken bij bepaalde kernreacties in versnellers als die bij CERN.

Fysici gaan er doorgaans vanuit dat deeltjes en hun antideeltjes bij een botsing elkaars lading neutraliseren via anihiliatie. Daarbij komt de massa van de deeltjes vrij als elektromagnetische straling, licht en warmte.

Maar dat is alleen op papier zo, bij de ontmoeting van één antideeltje en zijn tegendeeltje, zo blijkt uit experimenten die in de periode 1990-96 in deeltjeslab CERN werden uitgevoerd. Dat zogeheten OBELIX-experiment, waarbij antiprotonen op waterstofgas werd geschoten, gaf een raadselachtig resultaat: de anihiliatie van antimaterie en materie leek in twee golven te gebeuren.

In het vakblad Physical Review Letters schrijven de Italianen deze week dat ze nu begrijpen waarom. Ongeveer een kwart van de relatief traag bewegende antiprononen, afkomstig uit een versneller van CERN, kaatsten eerst ongeschonden terug van de aluminium achterwand van de meetopstelling.

Daarbij worden de negatief geladen antiprotonen bij nadering afgestoten door de eveneens negatief geladen elektronenwolk van de atomen in die wand.

Nu duidelijk is wat er gebeurt, is het verschijnsel eigenlijk geen verrassing, zegt een woordvoerder van CERN tegenover het vakblad Physical Review Focus. 'Mensen realiseren zich soms voor de hand liggende dingen niet, tot er iets merkwaardigs gebeurt en ze echt moeten nadenken.’

Bron

In dit artikel wordt uitgelegd dat het gerelateerd is aan Rutherford scattering.

The key to this unusual reflection is the textbook physics known as Rutherford scattering. When a charged particle is fired at a stationary atom, the positively-charged nucleus can deflect it from its course, but only if the particle is moving relatively slowly. A fast-moving antiproton hitting a solid surface would fly right through most atoms, past their tiny nuclei, until it finally encountered a nucleus in a nearly direct hit for annihilation. But a slow-moving antiproton, as in the OBELIX experiment, is frequently deflected by the pull of each nucleus, so it bounces around like a pinball, perhaps 50 to 100 times within 5 to 10 nanometers of the wall surface. Eventually, it "forgets" the direction it was headed and has a good chance of popping back out (though it may also annihilate somewhere in the wall).

[Verwijderd]

Opi schreef op woensdag 13 augustus 2008 @ 09:45:
Een suggestief artiekel in de Volkskrant wat wellicht interessant is. Er wordt hierin gesuggereerd dat antimaterie en materie elkaar bij contact niet per definitie annihileren. Echter wordt in een ander artikel aangegeven dat annihilatie niet plaatsvindt omdat de antimaterie deeltjes afgebogen worden en dat de antimaterie strikt genomen niet in contact komt met materie.


[...]

Bron

In dit artikel wordt uitgelegd dat het gerelateerd is aan Rutherford scattering.

[...]

Maar wat heeft dat met de LHC te maken?

[Opi]

Verwijderd schreef op woensdag 13 augustus 2008 @ 10:09:
Maar wat heeft dat met de LHC te maken?

Er is een raakvlak imo en een apart topic leek me ook te veel van het goede. Toch maar afgesplitst.

Het is me niet duidelijk of een dergelijk bericht over annihilatie correct is in de beleving van mensen. Verstaat men onder contact het fysiek raken van de deeltjes of zou een bepaalde afstand gedoogd worden?

[ Voor 32% gewijzigd door Opi op 13-08-2008 10:20 ]

[Verwijderd]

Een interessante vraag is wat er zou gebeuren als je de deeltjes niet zou versnellen. Als je een wolk antiprotonen simpelweg mengt met een wolk protonen, vindt annihilatie dan voldoende snel plaats om een explosie te veroorzaken?

Er wordt hierin gesuggereerd dat antimaterie en materie elkaar bij contact niet per definitie annihileren. Echter wordt in een ander artikel aangegeven dat annihilatie niet plaatsvindt omdat de antimaterie deeltjes afgebogen worden en dat de antimaterie strikt genomen niet in contact komt met materie.

Het lijkt me dat de tweede suggestie correct is. Annihilatie vindt pas plaats wanneer de deeltjes elkaar voldoende dicht naderen en dat is niet perse bij het eerste atoom van de wand. Vergeet niet dat een atoomkern qua volume nog geen miljardste van het hele atoom inneemt. Ruimte zat voor antimateriedeeltjes om doorheen te vliegen.

[ Voor 59% gewijzigd door Verwijderd op 13-08-2008 10:48 ]

[Verwijderd]

Opi schreef op woensdag 13 augustus 2008 @ 10:17:
[...]

Er is een raakvlak imo en een apart topic leek me ook te veel van het goede. Toch maar afgesplitst.

Het is me niet duidelijk of een dergelijk bericht over annihilatie correct is in de beleving van mensen. Verstaat men onder contact het fysiek raken van de deeltjes of zou een bepaalde afstand gedoogd worden?

"Fysiek raken" is niet echt een goed gedefineerd concept als je het hebt over punt deeltjes natuurlijk (zeker aangezien je op deze schaal de deeltjes ook geen precieze locatie kan toe dichten. De kans dat twee deeltjes een reactie aangaan wordt echter wel groter naarmate ze elkaar dichter naderen.

[Verwijderd]

Verwijderd schreef op woensdag 13 augustus 2008 @ 10:44:
Een interessante vraag is wat er zou gebeuren als je de deeltjes niet zou versnellen. Als je een wolk antiprotonen simpelweg mengt met een wolk protonen, vindt annihilatie dan voldoende snel plaats om een explosie te veroorzaken?

In het experiment worden de deeltjes niet (doelbewust) versneld. Er wordt zelfs getracht de uit een een versneller afkomstige antiprotonen zoveel mogelijk te vertragen voordat ze hun doe bereiken.

Als je een wolk van langzaam bewegende protonen en antiprotonen hebt zouden er twee dingen kunnen gebeuren:
1) De deeltjes annihileren.
2) De deeltjes vormen gebonden toestanden. (ala positronium alleen dan met protonen ipv electronen)

Van de laatste weet ik niet zeker of deze wel stabiel zijn. (Het zou goed kunnen dat de laagste energie toestand zo klein is dat de twee makkelijk met elkaar kunnen annihileren. Gezien de levensduur van de gemiddelde meson (gebonden toestand van een quark met een antiquark) zulllen ze in iedergeval geen lang leven beschoren zijn. Veel meer dan nanoseconden wordt het in ieder geval niet)

[blobber]

Dan mag iemand mij toch uitleggen hoe een antiproton (-1) kan worden afgebogen door een proton (+1) ik dacht dat ze direct op elkaar zouden vliegen

[Standeman]

blobber schreef op woensdag 13 augustus 2008 @ 12:31:
Dan mag iemand mij toch uitleggen hoe een antiproton (-1) kan worden afgebogen door een proton (+1) ik dacht dat ze direct op elkaar zouden vliegen

Ik denk vergelijkbaar als met de baan van een komeet te wijzigen die wordt aangetrokken door de gravitatie van de zon. Er is niet genoeg gravitatie kracht om dat ding de zon in te trekken, wel genoeg om de baan te veranderen.

Het ligt dus maar net aan de snelheid en de baan van de positron of het geannihileerd wordt.

Verder vind ik het eigenlijk een onjuist bericht. Juist omdat anitmaterie niet in de natuur voorkomt zou je kunnen stellen dat contact tussen materie en antimaterie altijd door annihilatie leidt.

[ Voor 14% gewijzigd door Standeman op 13-08-2008 12:41 ]

[Sissors]

Wat ik weer vreemd vind, want antimaterie komt toch wel in de natuur voor? Zowiezo heb je positronen, ze overleven het niet erg lang maar worden wel continue gemaakt voor zover ik weet.

[Verwijderd]

blobber schreef op woensdag 13 augustus 2008 @ 12:31:
Dan mag iemand mij toch uitleggen hoe een antiproton (-1) kan worden afgebogen door een proton (+1) ik dacht dat ze direct op elkaar zouden vliegen

Sleutel begrip is in dit soort situaties altijd "behoud van draaiimpuls". Hoe graag twee objecten ook naar elkaar toe willen, als hun onderlinge snelheid maar groot genoeg is zullen ze elkaar nooit ( of in ieder geval niet snel) bereiken.
In het geval van geladen deeltjes zorgt bremstrahlung er echter wel voor dat als er eenmaal spraken is van een gevang baan, deze ook zal krimpen. Totdat eventuele quantum effecten hier een einde aan maken. (i.e. er wordt een gebonden grondtoestand bereikt.)
Voor een proton/antiproton paar is deze toestand iets van 3 ordes van grote kleiner dan in het geval van een waterstof atoom (op basis van de grotere massa). Dit zou nog steeds flink groter dan de afmetingen van de kern zijn. Maar het is op het randje dat je zou verwachten dat correcties (bijvoorbeeld van kernkrachten) een einde aan dit feestje zouden kunnen maken. De achterkant van mijn spreekwoordelijke cigaardoos is niet groot genoeg voor een nauwekeurigere benadering.

[blobber]

Ik keek idd op een "klassieke" manier naar het probleem , quantumeffecten zullen zeker een rol gaan spelen als ze elkaar dicht naderen.

[MSalters]

Fysici gaan er doorgaans vanuit dat deeltjes en hun antideeltjes bij een botsing elkaars lading neutraliseren via anihiliatie. Daarbij komt de massa van de deeltjes vrij als elektromagnetische straling, licht en warmte. Maar dat is alleen op papier zo

Het lijkt me dat het nu in de praktijk nog steeds zo is? Als ze botsen, dan vindt er annihilatie plaats. Botsen ze niet, dan niet.

@Trias: Elektronen hebben in hun p-orbitalen toch een niet-0 kans in de atoomkern; hoe zou dat zitten met de orbitalen van een antiproton?