Reportage

De antimateriefabriek

Natuurkunde Waarom bestaat het universum alleen uit materie, terwijl bij de oerknal net zo veel antimaterie moet zijn ontstaan? Antwoorden moeten komen uit een Geneefse fabriekshal waar ze antideeltjes maken.

Met het instrument ELENA worden, vanaf 2021, antiprotonen vertraagd om ze daarna te kunnen vangen en gebruiken voor experimenten.
Met het instrument ELENA worden, vanaf 2021, antiprotonen vertraagd om ze daarna te kunnen vangen en gebruiken voor experimenten. Foto CERN

Op een witte, golfplaten loods staat in grote letters: ANTIMATTER FACTORY. En dat is precies wat het is, een fabriekshal waar antimaterie gemaakt wordt, de tegenhanger van de materie waaruit alles om ons heen bestaat. We zijn in Genève, op het terrein van CERN, de organisatie die onderzoek doet naar elementaire deeltjes. „We maken hier routinematig antimaterie. Het is echt productie draaien”, vertelt deeltjesfysicus Niels Tuning in de loods aan de groep bezoekende journalisten. Hij is verbonden aan het Nederlandse onderzoeksinstituut Nikhef. Collega Elise Wursten, werkzaam bij CERN, vult aan: „We hebben zoveel nodig omdat de loods propvol staat met experimenten die allemaal antimaterie onderzoeken.”

In deze fabriekshal hopen de onderzoekers een van de grote onopgeloste problemen uit de natuurkunde op te lossen: waarom bestaat het universum uit materie terwijl er volgens de theorie bij de oerknal evenveel antimaterie ontstond?

Materie is het spul waaruit alles wat we om ons heen zien bestaat. Alles is opgebouwd uit atomen, die op hun beurt uit kerndeeltjes en elektronen bestaan. Die kerndeeltjes en elektronen zijn materiedeeltjes. In 1928 leidde de Britse fysicus Paul Dirac uit natuurkundige formules af dat al die deeltjes een spiegelbeeld moeten hebben, een tegenhanger met tegengestelde eigenschappen. Vier jaar later werd het eerste antideeltje experimenteel aangetoond (zie inzet ‘Ontdekking’). Dit anti-elektron is net zo zwaar als een elektron, maar heeft een positieve lading in plaats van een negatieve.

Het is niet dat er helemaal geen antimaterie voorkomt. Positronen, en ook antiprotonen (de tegenhanger van het kerndeeltje proton), ontstaan dagelijks bij natuurlijke processen, zoals bliksem, radioactief verval en als kosmische deeltjes met hoge snelheid op de atmosfeer botsen. Maar deze antideeltjes verdwijnen meestal snel weer doordat ze in contact komen met gewone materie waarbij ze elkaar vernietigen (annihileren) en er enkel een plofje energie overblijft.

Dat antimaterie annihileert met materie maakt de experimenten in de fabriekshal complex. De antideeltjes moeten in compleet vacuüm bewaard worden om te voorkomen dat ze een materiedeeltje tegenkomen. We lopen over verhoogde paden, over en langs dicht op elkaar staande proefopstellingen. Soms is er naast de apparaten ternauwernood plek voor een paar bureaustoelen.

De antiprotonenvertrager

De antimateriefabriek staat op het terrein van CERN, omdat hij protonen (waterstofkernen) ontvangt van de nabijgelegen Proton Synchrotron, onderdeel van deeltjesversneller LHC. Die protonen zijn nodig om antimaterie te maken. Dat gaat als volgt: een bundel van die protonen vliegt met 99,9 procent van de lichtsnelheid op een blok metaal. Bij de botsing ontstaat genoeg energie om nieuwe deeltjes te maken. Volgens Einsteins beroemde formule E=mc2, is energie (E) immers gelijk aan massa (m). In dit geval ontstaat uit de botsing van snelle protonen met het metaal genoeg energie om antiprotonen te maken. Die reageren anders op magnetische velden dan protonen en kunnen zo met sturende magneten naar het hart van de antimateriefabriek worden geleid: de antiprotonenvertrager. De antideeltjes komen hier binnen met een hoge snelheid en moeten flink vertraagd worden voordat ze gevangen kunnen worden in de experimenten voor onderzoek. „Wij zijn altijd tegendraads”, zegt Wursten. „De LHC versnelt protonen, wij vertragen antiprotonen.”

De antiprotonenvertrager is een cirkelvormige constructie met een omtrek van 182 meter, ingebouwd in grote blokken beton. Dat is voor de veiligheid, legt Wursten uit. „Als een geladen deeltje met hoge snelheid door een bocht vliegt, dan zendt het schadelijke straling uit. De betonblokken houden die straling tegen.”

Sinds 2017 staat er nog een vertrager genaamd ELENA. Die heeft een omtrek van dertig meter en zorgt dat de energie van de antiprotonen nog vijftig keer lager wordt. „ELENA is spiksplinternieuw en heeft alleen nog maar proefgedraaid”, vertelt Tuning. „Pas in 2021 wordt hij in gebruik genomen, als onze LHC weer aangezet wordt.” Op het moment van ons bezoek staan de versneller en vertragers uit. De LHC ondergaat een grootschalig onderhoud en zonder LHC komen er ook geen snelle protonen uit de Positron Synchrotron om antiprotonen te maken. Toch is het niet stil in de hal. Continu klinkt het zoemende geruis van pompen en koelsystemen die de apparatuur draaiend houden. Wursten legt uit dat een deel van de experimenten door kan gaan, omdat je antiprotonen maanden lang kunt opslaan, in een zogeheten Penning trap. Het apparaat is geïnspireerd op een idee van de Nederlandse natuurkundige Frans Michel Penning. Het bestaat uit een vacuüm buis waarin de antideeltjes gevangen gehouden worden in een kooi van magneetvelden. „Ons opslagrecord is 400 dagen, maar langer is waarschijnlijk ook mogelijk”, vertelt Wursten.

De enige anti-atomen in het universum

De experimenten in de fabriekshal meten allerlei verschillende eigenschappen en gedragingen van antimaterie, zoals massa en lading. Sommige kijken naar eigenschappen van antiprotonen, zoals het experimenten waaraan Wursten werkt (BASE genaamd). Andere gaan een stap verder door antiprotonen en anti-elektronen samen te brengen. Zo ontstaat het meest eenvoudige anti-atoom: antiwaterstof. De anti-atomen die hier in de fabriek gemaakt worden, zijn zover bekend de enige anti-atomen die ook hebben bestaan in het universum.

Het voordeel van antiwaterstof voor de experimenten is dat het geen lading heeft, in tegenstelling tot antiprotonen. Daardoor heb je minder last van verstorende magneetvelden als je piepkleine effecten van bijvoorbeeld zwaartekracht wilt meten.

Het experiment GBAR, dat in 2021 van start gaat, zal bijvoorbeeld onderzoeken hoe antiwaterstof reageert op de zwaartekracht van de aarde, omdat zelfs kleine verschillen in de manier waarop antimaterie zwaartekracht ervaart een stap kan zijn naar een verklaring voor de afwezigheid van antimaterie in het universum.

Hoe antimaterie valt onder invloed van zwaartekracht is nooit goed gemeten. „Het is mogelijk dat antimaterie omhoog valt in plaats van omlaag. Of dat het sneller of langzamer valt”, zegt Wursten. „Dat verwachten we niet, maar voordat we het gemeten hebben, kunnen we zulke onverwachte effecten niet uitsluiten.”

De afgelopen jaren zijn er dankzij deze fabriek steeds meer eigenschappen van antimaterie met grote nauwkeurigheid gemeten. Zo publiceerden onderzoekers vorig jaar in Nature over het ALPHA-experiment. Het blijkt dat antiwaterstofatomen licht absorberen met dezelfde golflengte (kleur) als waterstof. Ook zenden ze hetzelfde soort licht uit. Het lijkt er dus op dat deze anti-atomen het perfecte spiegelbeeld zijn van atomen.

Een bestelbusje met antimaterie

Maar de antimaterie-metingen zijn nog een paar honderd keer minder nauwkeurig dan die van materie. Mogelijk zijn er toch kleine, nog niet ontdekte verschillen. En als hun gedrag een piepklein beetje afwijkt van de natuurwetten zoals wij die nu kennen, dan kan dat de antimaterie na de oerknal fataal geworden zijn, waardoor alle antimaterie verdween terwijl er materie overbleef. Dat zou verklaren waarom het universum volledig uit materie bestaat. De fysici blijven daarom sleutelen aan hun experimenten om nóg meer antimaterie nóg nauwkeuriger te meten.

Daarvoor wil Wursten met haar BASE-experiment de loods verlaten. Niet alleen omdat het binnen te vol staat, ook omdat de andere apparaten voor te veel verstorende magneetvelden zorgen. Nu is het nog niet mogelijk om buiten de loods experimenten te doen, omdat antimaterie nog niet vervoerd kan worden. „Maar daar hebben we wel een voorstel voor ingediend”, vertelt Wursten. „Naast het verplaatsen van een experiment willen we ook antimaterie vervoeren naar de CERN-faciliteit ISOLDE, dat een paar honderd meter verderop ligt, om daar experimenten te doen met radioactieve deeltjes en antimaterie.”

Overzicht van de Antimateriefabriek gehuisvest in een loods bij CERN in Genève. Foto CERN

Wursten legt uit dat antiprotonen gebruikt zullen worden om de kernen van radioactieve isotopen te onderzoeken. Door te kijken hoe de antiprotonen annihileren met de kerndeeltjes, kunnen fysici achterhalen hoe de kerndeeltjes in de radioactieve kernen gestructureerd zitten. „In theorie is het mogelijk om antimaterie met een bestelbusje te vervoeren, maar het zal nog zeker vijf jaar duren voordat we zover zijn.” Voorlopig blijft de antimateriefabriek een unieke plek, met de meeste anti-atomen in het universum.