Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
big bang

Gedraagt materie zich hetzelfde als antimaterie? Dat is een van de grootste openstaande vragen in de natuurkunde. Wetenschappers bij het ALPHA-experiment zijn nu antiwaterstofatomen aan het maken en gaan in een vogelvlucht de 20e eeuwse natuurkunde herhalen.

Tijdens de oerknal werd er evenveel materie als antimaterie gemaakt. Tenminste, volgens de relativiteitstheorie van Einstein en het natuurkundige standaardmodel zou dit zo moeten zijn. En toch lijkt de natuur niet te luisteren. Immers: als deeltjes en antideeltjes elkaar tegenkomen, zouden ze elkaar moeten opheffen tot pure energie. Waarom hebben alle protonen en antiprotonen of alle elektronen en positronen elkaar niet vernietigd vlak na de knal die alles deed beginnen?

Kennelijk heeft het universum toch een voorliefde voor de één boven de ander gehad. Het ALPHA-experiment bij CERN gaat kijken of antiwaterstof zich anders gedraagt dan normaal waterstof. Als de onderzoekers daar verschillen vinden in het gedrag, zou dat een hint kunnen geven over waarom we hier zijn en niet al lang geleden vernietigd werden tot pure energie. In Nature publiceert een internationaal team van wetenschappers de eerste stapjes in het antiwaterstof vergelijkend warenonderzoek.

Waterstof bestaat uit een proton waar één enkel elektron omheen draait. Je kunt antiwaterstof maken door een antiproton te nemen en daar heel voorzichtig een positron (anti-elektron) tegenaan te duwen. Diep in de krochten van CERN worden normale protonen versneld tot een enorme snelheid en vervolgens tegen een iridium staaf aan gesmeten. Bij deze botsing komt alle energie vrij die in de snelheid van de protonen zat en ontstaat er nieuwe materie. Die nieuwe materie, waaronder antiprotonen, wordt door magneten gescheiden en de antiprotonen komen terecht in de antiproton decelerator. Hierin wordt de meeste energie uit de antiprotonen gehaald zodat ze rustig terechtkomen in een groot magneetveld en gecombineerd kunnen worden met positronen.

Dit is verre van eenvoudig. Ongeveer twee miljoen positronen worden gemixt met 20000 antiprotonen en daaruit ontstaan ongeveer 6000 antiwaterstofatomen. Gemiddeld wordt van die 6000 antiwaterstofatomen maar één enkel antiwaterstofdeeltje gevangen in een magnetische val. Dit is een soort bakje gemaakt van magneetvelden. Je kunt antimaterie tenslotte niet in een normale bak stoppen; wanneer het dan tegen een wand zou botsen, wordt het meteen vernietigd. In juni 2011 maakte deze groep al wereldkundig dat het gelukt was om gedurende duizend seconden antiwaterstof te bewaren. 

Nu het maken en vangen van antiwaterstof is gelukt, gaan de natuurkundigen kijken naar het gedrag van antiwaterstof. Er zijn vele experimenten mogelijk, maar dit eerste gepubliceerde onderzoek heeft te maken met de energieniveaus van materie en antimaterie.

Zowel waterstof en antiwaterstof kunnen verschillende energieën hebben. Wanneer waterstof van het ene energie niveau naar het andere energieniveau gaat, wordt er een beetje licht uitgestraald. Dit noem je het spectrum van waterstof en dit stond aan de basis van de kwantummechanica. Verschillende kleuren horen bij verschillende energieniveaus. De vraag is nu of het spectrum, dus de kleuren licht, die antiwaterstof uitstraalt hetzelfde is als dat van gewoon waterstof. Als dit anders is, hebben we een hint over waarom er meer materie is dan antimaterie, maar als het spectrum wel hetzelfde is, moeten we verder zoeken.

Maar zover is het nog niet. De natuurkundigen moeten werken met maar enkele antiwaterstofatomen en het is dus verdraaid moeilijk om die kleuren goed te meten. De publicatie in Nature gaat over het überhaupt detecteren en veroorzaken van verschillende energieniveaus en nog niet over wat precies de energieën van die niveaus zijn.

Met behulp van magnetronstraling schop je de atomen van het ene in het andere energieniveau. Twee van de vier energieniveaus zorgen ervoor dat de atomen uit de magnetische val vliegen. Als antiwaterstof ook maar een beetje lijkt op gewoon waterstof, moeten de antiwaterstofjes dus uit de val vliegen wanneer je ze met de magnetronstraling naar een ander energieniveau schopt. En dat blijkt te kloppen.

Elke keer als ze de magnetronstraling aanzetten, kwamen ze er bij het legen van de magnetische val, aan het einde van de meting, achter dat ze antiwaterstof misten. Die deeltjes waren dus tijdens het experiment door de magnetronstraling naar een ander energieniveau gegaan en uit de bak gevlogen. Ze misten deeltjes, precies zoals ze hoopten.

Het bewaren en onderzoek doen op antimaterie is ongelooflijk moeilijk. Je moet een zo perfect mogelijk vacuüm hebben zodat de antimaterie niet gewone materie tegenkomt. Ook de magnetische val moet al die deeltjes vasthouden. Langzaam aan zal nu de truc zijn om meer deeltjes te vangen zodat uiteindelijk echt het lichtspectrum van antiwaterstof gemeten kan worden. l'Histoire se répète. Het spectrum van gewoon waterstof leverde ons de kwantummechanica van het atoom op en nu levert misschien het spectrum van antiwaterstof ons de oplossing van het materie-antimaterieprobleem.