Dubbele penningval maakt langlevend anti-waterstof

Anti-atomen laten zich lastig bestuderen. Zodra ze in contact komen met gewone materie, treedt een proces van annihilatie op. Hierbij wordt alle materie, met inachtneming van Einsteins formule E = mc, omgezet in stralingsenergie. Wie bijvoorbeeld een anti-waterstofatoom (een anti-proton met daar omheen een positron) voor langere tijd in leven wil houden, zal het moeten stilzetten (afkoelen) en in een val wandvrij opsluiten.

Begin dit jaar meldde een onderzoeksgroep van CERN dat in de Geneefse Low Energy Antiproton Ring (LEAR) voor het eerst anti-waterstofatomen (in totaal 9 stuks) waren gemaakt. Maar doordat die een hoge snelheid hadden, viel er weinig aan te bestuderen. Ook een anti-atoom is elektrisch neutraal, vliegt in de versnelring dus direct uit de bocht en botst binnen tegen de wand. In de praktijk was de levensduur niet meer dan 40 nanoseconde (veertig miljardste seconde).

Positronen en anti-protonen ieder apart afkoelen en opsluiten is geen probleem, maar een gecombineerde val had tot nu toe last van 'lekkage'. De Amerikaanse natuurkundigen Gerald Gabrielse en David Hall, beiden verbonden aan Harvard University, komen in het tijdschrift Physical Review Letters (2 september) met een voorstel voor een opsluitmechamisme dat wel goed werkt: een dubbele Penningval. Die maakt gebruik van een combinatie van elektrische en magnetische velden, waarbij de val voor de positronen zich in die voor de anti-protonen bevindt. Als beide soorten deeltjes zijn gevangen en tot stilstand gebracht, kunnen ze combineren tot een anti-waterstofatoom. Eigenschappen als energieniveaus en massa kunnen dan 'in alle rust' worden bestudeerd.

Om het principe van hun val te testen kwamen de Amerikanen op het lumineuze idee eerst te proberen er gewone waterstof van te maken. Of, zoals ze zelf liever zeggen: anti-anti-waterstof. In een Penningval koelen de elektronen, die met een factor duizend oververtegenwoordigd zijn, de protonen tot zo'n vier graden boven het absolute nulpunt (4 kelvin). Bij die lage temperatuur is de kans op een belangrijke creatiereactie - die waarbij twee positronen en een antiproton een anti-waterstofatoom opleveren (en een antiproton om het surplus aan energie af te voeren) - ongeveer honderd miljoen keer zo groot als bij kamertemperatuur.

Of de Amerikanen bij dit 'droogzwemmen' daadwerkelijk waterstof hebben gemaakt weten ze niet zeker: detectie daarvan is onder de omstandigheden lastig. Dat geldt niet voor anti-waterstof. Zodra een paar van dergelijke atomen uit de val ontsnappen, vindt annihilatie plaats waarbij een detector de gevormde lichtdeeltjes (fotonen) onherroepelijk opmerkt. Plaatsing van de Penningval in de LEAR, waarbij een radioactief vervalproces de benodigde positronen levert, moet uitmaken of het Harvard-idee werkt. Haast is geboden: met de komst van de Large Hadron Collider in het verschiet, gaat de anti-protonring eind dit jaar uit de roulatie.