Hier is de eerste vingerafdruk van een atoom antimaterie

22 december 2016

Voor het eerst hebben natuurkundigen een vingerafdruk genomen van een atoom antimaterie. De anti-waterstof maakte het mogelijk de diepste wetten van de natuur te testen.

Onderzoekers van het Europese onderzoekcentrum CERN in Genève hebben 67 atomen antiwaterstof gemaakt en opgesloten in een sterk magneetveld. Vervolgens werden ze met laserlicht beschenen. Dit stimuleert de atomen om zelf licht te gaan uitzenden. Dit licht is een unieke vingerafdruk van antiwaterstof. 

Waterstof is het eenvoudigste en meest voorkomende atoom in het universum. Het bestaat uit een kern van slechts één positief geladen proton en een negatief geladen elektron dat daar omheen cirkelt, zoals de aarde rond de zon draait. Een atoom anti-waterstof bestaat uit een negatief geladen anti-proton met daaromheen draaiend een positief geladen positron. Van elk atoom dat we in de natuur kennen (waterstof, zuurstof, stikstof etcetera), kan in principe ook een antimaterie-atoom bestaan. 

Wanneer antimaterie en materie bij elkaar zouden komen, vernietigen ze elkaar en wordt hun massa volledig in energie omgezet. Heel veel energie. Zo veel zelfs dat er al decennia gespeculeerd wordt over raketmotoren met antimaterie als superbrandstof. In sciencefictionfilms als StarTrek en Avatar wordt zo’n antimateriemotor gebruikt om razendsnel door het heelal te reizen. Een paar gram antimaterie levert voldoende energie om mensen in een maand naar Mars te sturen. Nu duurt dat zeven maanden. Tientallen kilogrammen antimaterie zijn trouwens voldoende voor interstellaire vluchten.

Wetenschapsjournalist Bennie Mols vertelde over dit onderzoek bij De Ochtend op NPO Radio 1. Beluister het fragment hier:

Antimaterie voor het eerst gevangen

Een doorbraak in het onderzoek naar antimaterie. In het CERN-instituut zijn voor het eerst atomen van antimaterie opgevangen.

Het raadsel van de afwezige antimaterie

Probleem is echter dat antimaterie niet (of nauwelijks) in het universum voorkomt en dat het moeilijk is te maken. Volgens de gangbare theorie ontstond kort na de geboorte van het heelal evenveel materie als antimaterie. Ons huidige universum bestaat echter voor het overgrote deel uit gewone materie. Wat is er dan met die antimaterie gebeurd? Dat is het grote raadsel.

Onze huidige natuurwetten voorspellen ook dat de vingerafdruk van anti-waterstof identiek moet zijn dan die van waterstof. En precies deze voorspelling hebben de natuurkundigen nu voor het eerst getest, na voorbereidend werk van twintig jaar. Ze publiceren hun conclusies deze week in het vakblad Nature.

Standaardmodel en Relativiteitstheorie onder de loep

De eerste metingen aan anti-waterstof laten zien dat zijn vingerafdruk gelijk is aan die van gewoon waterstof. Alleen is de vingerafdruk van anti-waterstof veel vager. Te vaag om nu al een definitieve conclusie te trekken. De metingen die we van waterstof hebben zijn honderdduizend maal zo nauwkeurig als de metingen die we nu hebben van anti-waterstof. Het zou dus nog steeds kunnen dat er in hele kleine details toch verschillen te zien zijn tussen de vingerafdrukken van waterstof en anti-waterstof. 

Wanneer dat zo zou zijn, heeft dat grote gevolgen voor de natuurkunde. Allereerst zou het betekenen dat het huidige Standaardmodel van elementaire deeltjes niet kan kloppen, omdat dit model voorspelt dat antimaterie en materie wel dezelfde vingerafdruk moeten hebben. Daarnaast kan dan ook Einsteins Speciale Relativiteitstheorie niet kloppen. 

Antiwaterstof gaat de CERN-onderzoekers nog jaren bezig houden. Allereerst gaan de natuurkundigen de vingerafdruk van het eenvoudigste antimaterie-atoom steeds nauwkeuriger bepalen. Ten tweede willen ze in 2018 ook nog gaan onderzoeken wat de invloed is van de zwaartekracht op anti-waterstof. Wordt het net zo sterk aangetrokken door de aarde als een gewoon waterstofatoom? Antimaterie zet veel op het spel voor de natuurkunde.

 M. Ahmadi et al, Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen, in Nature, 19 december 2016