Inbouw van het ALPHA-g apparaat. Cern, CC BY-SA
Een stof genaamd antimaterie is de kern van een van de grootste mysteries van het universum. We weten dat elk deeltje een antimateriegenoot heeft die vrijwel identiek is aan zichzelf, maar met de tegenovergestelde lading. Wanneer een deeltje en zijn antideeltje elkaar tegenkomen, vernietigen ze elkaar – en verdwijnen ze in een uitbarsting van licht.
Ons huidige begrip van de natuurkunde voorspelt dat er gelijke hoeveelheden materie en antimaterie zouden moeten zijn gecreëerd tijdens de vorming van het heelal. Maar dit lijkt niet te zijn gebeurd, want dan zouden alle deeltjes meteen zijn vernietigd.
In plaats daarvan is er veel materie om ons heen, maar heel weinig antimaterie – zelfs diep in de ruimte. Dit raadsel heeft geleid tot een grote zoektocht om fouten in de theorie te vinden of op een andere manier de ontbrekende antimaterie te verklaren.
Eén zo’n benadering heeft zich gericht op zwaartekracht. Misschien gedraagt antimaterie zich anders onder zwaartekracht en wordt het in de andere richting getrokken dan materie? Als dat zo is, bevinden we ons misschien gewoon in een deel van het universum van waaruit het onmogelijk is om de antimaterie waar te nemen.
Onze nieuwe studie, gepubliceerd in Nature, onthult hoe antimaterie zich feitelijk gedraagt onder invloed van zwaartekracht.
Andere benaderingen van de vraag waarom we meer materie dan antimaterie waarnemen, omvatten vele deelgebieden in de natuurkunde. Deze variëren van astrofysica – gericht op het observeren en voorspellen van het gedrag van antimaterie in de kosmos met experimenten – tot hoogenergetische deeltjesfysica, waarbij de processen en fundamentele deeltjes worden onderzocht die antimaterie vormen en hun levensduur bepalen.
Hoewel er kleine verschillen zijn waargenomen in de levensduur van sommige antimateriedeeltjes vergeleken met hun materie-tegenhangers, zijn deze resultaten nog verre van een afdoende verklaring voor de asymmetrie.
De fysische eigenschappen van antihydrogen – een atoom dat bestaat uit een antimaterie elektron (het positron) gebonden aan een antimaterie proton (antiproton) – zijn naar verwachting precies hetzelfde als die van waterstof. Naast het bezitten van dezelfde chemische eigenschappen als waterstof, zoals kleur en energie, verwachten we ook dat antihydrogen zich hetzelfde zou moeten gedragen in een zwaartekrachtsveld.
Het zogenaamde “zwakke equivalentieprincipe” in de algemene relativiteitstheorie stelt dat de beweging van lichamen in een gravitatieveld onafhankelijk is van hun samenstelling. Dit zegt in essentie dat waar iets van gemaakt is geen invloed heeft op hoe de zwaartekracht zijn bewegingen beïnvloedt.
Deze voorspelling is met extreem hoge nauwkeurigheid getest voor zwaartekrachtkrachten met een verscheidenheid aan materiedeeltjes, maar nooit direct op de beweging van antimaterie.
Zelfs met materiedeeltjes onderscheidt zwaartekracht zich van andere natuurkundige theorieën doordat het nog niet verenigd is met de theorieën die antimaterie beschrijven. Elk waargenomen verschil met antimaterie-zwaartekracht kan helpen licht te werpen op beide kwesties.
Tot op heden zijn er geen directe metingen gedaan aan de zwaartekrachtbeweging van antimaterie. Het is een hele uitdaging om dit te bestuderen omdat zwaartekracht de zwakste kracht is.
Dat betekent dat het moeilijk is om de effecten van zwaartekracht te onderscheiden van andere invloeden van buitenaf. Pas met de recente vooruitgang van technieken om stabiele (langlevende), neutrale en koude antimaterie te produceren zijn metingen mogelijk geworden.
Gevangen antimaterie
Ons werk vond plaats in het ALPHA-g experiment in Cern, ’s werelds grootste deeltjesfysicalab in Zwitserland, dat ontworpen was om de effecten van zwaartekracht te testen door antihydrogeen op te sluiten in een verticale, twee meter hoge val. Antihydrogeen wordt in de val gecreëerd door de antimateriebestanddelen: het positie- en antiproton, samen te voegen.
Het ALPHA-g apparaat wordt geïnstalleerd in 2018.
William Bertsche / Universiteit van Manchester, CC BY-SA
Positronen worden gemakkelijk geproduceerd door sommige radioactieve materialen – wij gebruikten radioactief keukenzout. Om koude antiprotonen te maken, moesten we echter immense deeltjesversnellers en een unieke vertragingsfaciliteit in Cern gebruiken.
Beide ingrediënten zijn elektrisch geladen en kunnen onafhankelijk worden gevangen en opgeslagen als antimaterie in speciale apparaten die Penningvallen worden genoemd en die bestaan uit elektrische en magnetische velden.
Antatomen worden echter niet ingesloten door de Penningvallen, en dus hadden we een extra apparaat genaamd een “magneetflesval”, die de antatomen insloot. Deze val werd gecreëerd door magnetische velden die werden opgewekt door talloze supergeleidende magneten.
Deze werden bediend om de relatieve sterktes van de verschillende kanten van de fles te regelen. Als we de boven- en onderkant van de fles verzwakten, zouden de atomen de val kunnen verlaten onder invloed van de zwaartekracht.
We telden hoeveel anti-atomen naar boven en beneden ontsnapten door de antimaterieannihilaties te detecteren die ontstonden toen de anti-atomen botsten met omringende materiedeeltjes in de val. Door deze resultaten te vergelijken met gedetailleerde computermodellen van dit proces in normale waterstofatomen, konden we het effect van de zwaartekracht op de anti-waterstofatomen afleiden.
Onze resultaten zijn de eerste van het ALPHA-g experiment en de eerste directe meting van de beweging van antimaterie in een zwaartekrachtveld. Ze laten zien dat de zwaartekracht van antihydrogen hetzelfde is als die van waterstof, het valt naar beneden in plaats van omhoog, binnen de onzekerheidsgrenzen van het experiment.
Dit betekent dat ons onderzoek een aantal historische theorieën over zogenaamde “antizwaartekracht” empirisch heeft uitgesloten, die suggereerden dat antimaterie in precies de tegenovergestelde richting zou zwichten als normale materie.
De huidige meting is een belangrijke mijlpaal op weg naar het doel van het experiment. Toekomstig werk ALPHA-g experiment zal de precisie verbeteren door betere karakterisering en controle van belangrijke aspecten van het experiment, zoals de vallen en de atoomkoelsystemen.
Er is nog steeds veel ruimte om nieuwe resultaten te vinden die kunnen helpen om de asymmetrie tussen materie en antimaterie te verklaren. Natuurkunde is bedoeld om de waargenomen werkelijkheid te beschrijven en er kunnen altijd verrassingen zitten in de manier waarop de wereld werkt.
William Bertsche ontvangt financiering van EPSRC en STFC.
