Augustus 1932: Ontdekking van het Positron
Andersons nevelkamerfoto van kosmische straling uit 1932 toont voor het eerst het bestaan van het anti-elektron. Het deeltje komt van onderaf binnen, treft de loden plaat in het midden en verliest energie zoals te zien is aan de grotere kromming van het bovenste deel van het spoor.
De schepper vanStar Trek, Gene Roddenberry, heeft veel feitelijke wetenschap verwerkt in wat een van de meest succesvolle serieseries aller tijden is geworden. Een daarvan is de materie/antimaterie-motor die de Enterprise aandrijft, waardoor deze sneller zou kunnen reizen dan het licht.
In 1928 toonde de Britse natuurkundige Paul Dirac aan dat Einsteins relativiteit impliceerde dat elk deeltje in het heelal een overeenkomstig antideeltje heeft, elk met dezelfde massa als zijn tweelingbroertje, maar met de tegengestelde elektrische lading.
De jacht op experimentele verificatie van deze hypothese was geopend; een postdoc van Caltech, Carl D. Anderson, zou de race winnen.
Anderson werd in 1905 geboren als zoon van Zwitserse ouders in New York City. Toen hij 7 jaar oud was, verhuisde het gezin naar Los Angeles, en zijn ouders scheidden kort daarna. Anderson hielp al op zeer jonge leeftijd het gezin te onderhouden, maar slaagde er toch in een universitaire opleiding te volgen aan Caltech. Oorspronkelijk wilde hij elektrotechniek gaan studeren, maar na een bijzonder inspirerende cursus natuurkunde stapte hij over op natuurkunde. Uiteindelijk promoveerde hij aan Caltech in de fysica-engineering (nu bekend als toegepaste natuurkunde).
Anderson bracht het grootste deel van zijn carrière door aan Caltech. Zijn vroege onderzoek was gericht op röntgenstraling, maar toen ontdekte Victor Hess in 1930 kosmische straling. Op advies van zijn mentor, Robert A. Millikan, richtte Anderson zijn aandacht op het bestuderen van deze hoogenergetische deeltjes. De meeste wetenschappers deden dit met behulp van wolkenkamers: een korte cilinder met glazen eindplaten die een gas bevatten dat verzadigd is met waterdamp. Als een ioniserend deeltje door de kamer gaat, laat het een spoor van waterdruppels achter, dat kan worden gefotografeerd. Door de dichtheid van de druppels te meten, kunnen wetenschappers afleiden hoeveel ionisatie is geproduceerd – een aanwijzing voor het soort deeltje dat is gepasseerd.
Anderson bouwde zijn eigen, verbeterde versie van een wolkenkamer, waarin een zuiger was opgenomen zodat hij de druk zeer snel kon laten dalen. Hij gebruikte ook een mengsel van water en alcohol in de kamer. En hij kreeg veel betere foto’s dan zijn collega’s. Hij omringde zijn kamer met een grote elektromagneet, die ervoor zorgde dat de paden van de ioniserende deeltjes in cirkelvormige banen werden gebogen. Door de kromming van die banen te meten, kon hij het momentum van de deeltjes berekenen en het teken van de lading bepalen.
De resulterende foto’s verrasten Anderson door te onthullen dat kosmische stralen buien van zowel positief als negatief geladen deeltjes produceerden, en dat de positieve ladingen geen protonen konden zijn, zoals men zou verwachten, omdat de baanradius een proton-stopafstand zou aangeven die veel korter is dan de lengte van de baan.
Anderson en Millikan speculeerden dat de positief geladen deeltjes misschien elektronen waren die in de tegenovergestelde richting reisden.
Om de hypothese te testen, plaatste Anderson een loden plaat in de kamer. Wanneer de deeltjes door de plaat gingen, kwamen ze aan de andere kant met een lagere energie tevoorschijn dan toen ze begonnen, zodat de reisrichting kon worden afgeleid.
In augustus 1932 maakte Anderson de historische foto van een positief geladen elektron (nu bekend als een positron) dat door de loden plaat in de nevelkamer ging. Het was zeker een positief geladen deeltje, en het bewoog omhoog.
Ondanks aanvankelijke scepsis van de wetenschappelijke gemeenschap werd Andersons resultaat het jaar daarop bevestigd, en concludeerden wetenschappers dat het positron een van de positieve en negatieve elektronen was die werden geproduceerd bij de omzetting van een gammastraal in materie.
Door zijn ontdekking kreeg Anderson in 1936, op 31-jarige leeftijd, de Nobelprijs voor natuurkunde – de jongste persoon die deze eer te beurt viel. Antiprotonen – protonen met een negatieve lading in plaats van de gebruikelijke positieve – werden in 1955 ontdekt door onderzoekers van de universiteit van Californië in Berkeley, en het antineutron werd het jaar daarop ontdekt. Het zou nog 30 jaar duren voordat wetenschappers de eerste anti-atomen maakten.
In 1995 gebruikten CERN-onderzoekers de Low Energy Antiproton Ring (LEAR) om antiprotonen te vertragen in plaats van te versnellen. Zo slaagden zij erin positronen en antiprotonen aan elkaar te koppelen en negen waterstof-antiprotonen te produceren, die elk slechts 40 nanoseconden duurden.
Binnen drie jaar produceerde de CERN-groep maar liefst 2000 antiwaterstofatomen per uur.
Dat is nog steeds niet genoeg om een praktische aandrijving van antimaterie te realiseren. Er zouden tonnen antiprotonen nodig zijn om naar interstellaire bestemmingen te reizen, maar de CERN-faciliteit produceert in een jaar slechts genoeg antiprotonen om een gloeilamp van 100 watt drie seconden te laten branden. En dan hebben we het nog niet eens over de enorme hoeveelheden energie die nodig zijn om de intense stralen aan te drijven die de antiprotonen produceren.
Niettemin kondigden NASA-wetenschappers in 2000 vroege ontwerpen aan voor een antimateriemotor die in staat zou kunnen zijn een ruimteschip van brandstof te voorzien voor een reis naar Mars met slechts een miljoenste gram antimaterie.
Het positron heeft één nuttige toepassing gevonden: positron-emissie tomografie (PET). Bij deze medische beeldvormingstechniek wordt gebruik gemaakt van energiearme annihilaties van elektronen en positronen om het inwendige van de hersenen in beeld te brengen, waarbij radioactieve kernen in een patiënt worden geïnjecteerd en de resulterende paren gammastralen worden waargenomen. De geproduceerde energie is onvoldoende om zelfs het lichtste deeltje en antimaterie te vormen en komt in plaats daarvan als twee gammastralen naar buiten.