wetenschappers zetten grote stap in de richting van stilstaande antimaterie

Wetenschappers zetten grote stap in de richting van stilstaande antimaterie

Wat is antimaterie?

Antimaterie is een subatomaire neef van gewone materie. Het bestaan ervan werd in 1928 voorspeld door de Britse theoretisch natuurkundige Paul Dirac, en het werd in 1932 ontdekt door de Amerikaanse natuurkundige Carl Anderson. Voor elk bekend subatomair deeltje is er een antimaterie-equivalent: de tegenhanger van het elektron is het positron, in alle opzichten identiek aan het elektron, maar met de tegengestelde elektrische lading. Het antiproton en antineutron bestaan ook, en werden in de jaren 1950 ontdekt in een deeltjesversneller die zich op een heuvel bevindt, hoog boven de Universiteit van Californië in Berkeley.

Materie en antimaterie kunnen niet zo goed met elkaar opschieten. Als je ze combineert, vernietigen ze elkaar in een enorme energie-uitbarsting. Op het subatomaire niveau is deze energie handelbaar, maar als je een gram antimaterie zou combineren met een gram materie, dan komt er een energie vrij die vergelijkbaar is met de atoomexplosie in Hiroshima. Een gram komt overeen met het gewicht van een paperclip.

Het is deze antagonistische relatie met materie die antimaterie moeilijk te bestuderen maakt. Als een antimaterie deeltje in contact komt met zijn materiele equivalent verdwijnen de twee in een subatomaire flits van energie.

Antimaterie is zeldzamer dan de modellen voorspellen

Een van de grootste mysteries van de moderne natuurkunde is de vraag waarom we in het heelal niet zoveel antimaterie zien als gewone materie. Hoewel wetenschappers kleine hoeveelheden antimaterie hebben kunnen opslaan en manipuleren, hebben ze nog geen antwoord kunnen geven op de vraag waarom antimaterie zo zeldzaam is in het heelal.

Volgens Einstein’s beroemde vergelijking E = mc2 zou energie zich in gelijke hoeveelheden in materie en antimaterie moeten omzetten. Onmiddellijk na de oerknal was er veel energie. Bijgevolg zouden we evenveel antimaterie als materie in ons universum moeten zien, en toch is dat niet zo. Dit is een dringend onopgelost mysterie van de moderne natuurkunde.

Volgens Einstein’s vergelijkingen, en ook volgens andere moderne theorieën over antimaterie, zou antimaterie precies hetzelfde moeten zijn als gewone materie, met alleen de elektrische ladingen omgedraaid. Zo zou antimaterie waterstof licht moeten uitzenden net als gewone waterstof dat doet, en met precies dezelfde golflengtes. Begin 2020 werd een experiment uitgevoerd dat precies dit gedrag liet zien. Dit was een triomf voor de huidige theorieën, maar betekende dat er geen verklaring was voor de voorkeur van het universum voor materie.

Onderzoek naar antimaterie

Een mogelijke verklaring is dat antimaterie op een onbekende, maar belangrijke manier verschilt van gewone materie. Om deze mogelijkheid te onderzoeken hebben wetenschappers antimaterie gevangen om de eigenschappen ervan te bestuderen.

Ze zijn er eerder in geslaagd antimateriedeeltjes op te sluiten met behulp van een combinatie van elektrische en magnetische velden. Antiprotonen zijn al meer dan een jaar opgeslagen, terwijl antimaterie-elektronen vanwege hun geringere massa korter zijn bewaard. In 2011 maakten onderzoekers van CERN bekend dat ze antihydrogeen meer dan 1.000 seconden hadden opgeslagen.

Omdat het zo moeilijk is antimaterie op te slaan, werd het lichtemissiespectrum van antihydrogeen niet zo nauwkeurig gemeten als de equivalente meting met gewone waterstof. Een van de belangrijkste redenen is dat het niet mogelijk is gebleken antihydrogeen atomen af te remmen tot snelheden die langzaam genoeg zijn. Wanneer ze geproduceerd zijn, blijven ze bewegen met snelheden die groot genoeg zijn om de precisie van de metingen te beïnvloeden.

Antimaterie stilleggen met lasers

Om precieze metingen aan antimaterie te doen, moeten de deeltjes bijna stationair zijn en dat was tot nu toe moeilijk te doen. Wetenschappers van het CERN-laboratorium hebben nu lasers gebruikt om de beweging van antimaterie te vertragen. Dit geeft ongekende mogelijkheden om antimaterie te bestuderen.

Ze maakten antiprotonen in hun versneller en combineerden die met antimaterie-elektronen die afkomstig zijn van het verval van natrium-22. Daarna gebruikten ze lasers om het resulterende antihydrogeen af te remmen.

De methode is eigenlijk heel slim. Gewoonlijk, als je een atoom raakt met een foton met voldoende energie om het elektron van een lage energietoestand naar een hogere te laten springen, en het atoom daarna weer naar de lage energietoestand vervalt, is het resultaat dat het atoom energetisch gezien in precies dezelfde toestand is als voorheen. De energie blijft behouden.

Bij laserkoeling bestralen onderzoekers atomen met fotonen met een energie net onder de hoeveelheid die nodig is om elektronen van de ene toestand naar de andere te laten springen. Als de atomen stationair waren, zouden geen overgangen optreden. Maar als de atomen bewegen, dragen de atomen die naar de lichtbron toe bewegen wat bewegingsenergie bij, zodat de gecombineerde bewegingsenergie van het atoom en de energie van het foton voldoende is om elektronen tussen energietoestanden te laten springen.

Het atoom vervalt uiteindelijk en zendt een foton uit, maar het uitgezonden foton zal de volledige energie van die atomaire overgang hebben, terwijl het geabsorbeerde foton iets minder energie heeft. Omdat de uitgezonden energie iets hoger is dan de geabsorbeerde energie, is het resultaat dat het atoom na dit proces iets minder energie zal hebben. Bijgevolg zal het vertragen.

Toen de wetenschappers van Alpha gedurende enkele uren zo’n laser op antihydrogen atomen richtten, ontdekten ze dat de resulterende gemiddelde snelheid van de atomen ongeveer 10% was van de snelheid bij het begin. De temperatuur van deze antihydrogeen atomen werd ongeveer 0.012 graden Kelvin, of bijna het absolute nulpunt.

Toen de onderzoekers de precisie van het door deze gekoelde antimaterie atomen uitgezonden licht testten, vonden ze een viervoudige verbetering ten opzichte van eerdere metingen.

Belangrijke nieuwe techniek

Dit eerste gebruik van lasers om antimaterie atomen te koelen zal zeer reële gevolgen hebben voor de studie van antimaterie. Nu al hebben ze een verbeterde meting van de eigenschappen van het door antihydrogeen uitgezonden licht. Deze technieken zullen ook veel helpen bij hun belangrijkste onderzoeksprogramma, dat bestaat uit het bestuderen van de effecten van de zwaartekracht op antimaterie.

De conventionele wijsheid suggereert dat antimaterie op dezelfde manier door de zwaartekracht beïnvloed zou moeten worden als materie, maar dit is nog niet getest. De eerste resultaten van deze zeer interessante meting zouden in 2022 beschikbaar kunnen zijn.

Het koelen van antimaterie door lasers is een geweldige technische prestatie en de waarde ervan zal in de loop van de tijd alleen maar duidelijker worden.