LHCb GROEP B-Fysica: Materie, antimaterie en Oerknal ( het mysterie van CP-schending ) 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 gecreeerd 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. Hoe zou een antiwereld 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 antideeltje, op voorwaarde dat je tegelijkertijd de wereld in een spiegel zou bekijken. Men dacht namelijk dat in zo'n gespiegelde antiwereld 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 antideeltjes) en pariteit (spiegelen van ruimte, waardoor linksdraaiende spin omgezet wordt in rechtsdraaiende spin en vice versa) plaatsvindt. Dit wordt CP-symmetrie genoemd. Hubble opname (Courtesy NASA) E = mc 2 e + e -    qq Energie kan worden omgezet in materie en antimaterie. Experimenten tonen aan dat hierbij steeds evenveel materie als antimaterie gevormd wordt. Metingen tonen aan dat in het huidige Heelal niet meer dan ongeveer 0.01 % antimaterie aanwezig is. Verder vindt men voor elk proton ongeveer een miljard fotonen. We kunnen de CP-symmetrie toelichten aan de hand van een tekening van Escher. Tekening (a) is het origineel en stelt de een wereld van materie voor. Tekening (b) wordt verkregen na een spiegelinversie. Het resultaat wijkt duidelijk af van ons origineel – de witte paarden lopen nu naar rechts! Dit demonstreert schending van spiegelsymmetrie (P-operatie). Vervolgens passen we ladingsomkering (C-operatie) toe – witte paarden vervangen door zwarte, en omgekeerd. De verkregen tekening (c) is niet van het origineel te onderscheiden. Toen fysici de wereld in groot detail bestudeerden, hadden ze geen verschil verwacht met de wetten van een gespiegelde antiwereld CP schending in verval van neutrale kaonen en antikaonen als functie van de tijd. In 1964 werd echter een schending van de CP symmetrie gevonden. Dat gebeurde tijdens metingen aan elektrisch neutrale kaonen. In 2001 werd gemeten dat ook B-mesonen tijdens hun korte leven onder invloed van de zwakke kracht spontaan kunnen 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. Nauwkeurige metingen aan het verval van deze merkwaardige objecten toonden tot ieders verrassing een kleine schending van CP-symmetrie. Het ligt dus voor de hand om te denken dat dit mechanisme ook ten grondslag ligt aan de dominantie van materie in het Heelal. Gedetailleerde berekeningen laten echter zien dat het gemeten effect hiervoor te klein is. (a) origineel (c) CP operatie (b) P-operatie