Nieuwe lasertest met antimaterie bevestigt het perfecte spiegelbeeld

Antimaterie lijkt nog steeds het perfecte spiegelbeeld van materie. Dat blijkt uit een meting waarbij fysici keken naar een niet eerder gemeten eigenschap van antiwaterstof, de antimaterie-tegenhanger van waterstof. De meting is uitgevoerd met het Alpha-experiment bij het Europese deeltesfysica-instituut CERN in Genève, de enige plek ter wereld waar honderden anti-atomen tegelijkertijd bewaard en bestudeerd kunnen worden. De fysici publiceerden hun resultaten woensdag in Nature.

De resultaten zijn een aanvulling op eerdere antiwaterstofmetingen. „Ons doel is om de eigenschappen van deze antiatomen zo nauwkeurig mogelijk te meten, om te testen of materie en antimaterie zich precies hetzelfde gedragen, zoals het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt”, zegt Jeffrey Hangst van de Deense Aarhus University, woordvoerder van het Alpha-experiment.

Elk deeltje een tegenhanger

Volgens dat model heeft elk deeltje een tegenhanger, die je kunt zien als diens perfecte spiegelbeeld. Het anti-elektron (genaamd positron) is bijvoorbeeld even zwaar als een elektron, maar heeft een positieve lading in plaats van een negatieve.

In het universum is bijna geen antimaterie. Als het ontstaat, bijvoorbeeld bij radioactieve processen, verdwijnt het razendsnel omdat materie en antimaterie elkaar vernietigen (annihileren) als ze elkaar ontmoeten. Daarbij wordt hun volledige massa omgezet in een flits energie.

Een van de grote raadsels uit de natuurkunde is waarom er bijna geen antimaterie meer is, terwijl er volgens natuurkundige theorieën met de oerknal evenveel van beide ontstond. Als blijkt dat antimaterie zich net anders gedraagt dan materie, dan leidt dat misschien tot een verklaring voor die scheve verhouding.

Drie miljoen positronen

Om dit te onderzoeken, vergelijken fysici waterstof (dat uit een proton en een elektron bestaat) met antiwaterstof (dat uit een antiproton en een positron bestaat).

Die antiwaterstofatomen moeten eerst gemaakt worden. Dat doen ze door ongeveer 90.000 antiprotonen die door de Large Hadron Collider-deeltjesversneller gemaakt worden, te combineren met drie miljoen positronen die opgevangen zijn nadat ze ontstonden bij radioactief verval. Dit levert tien tot dertig antiwaterstofatomen op, die gevangen worden in een kooi van magneetvelden. Daarin kun je de antiatomen ruim 60 uur bewaren.

Als de onderzoekers zo een paar honderd antiwaterstofatomen verzameld hebben, schieten ze met een laser pulsen licht van verschillende golflengten op de antiwaterstofatomen. De antiatomen absorberen enkel specifieke soorten licht. Afhankelijk van de energie van het geabsorbeerde licht gaan de antiwaterstofatomen naar bepaalde, hogere energieniveaus. Het energieverschil tussen twee van die niveaus, is de zogeheten Lambverschuiving (Lamb shift).

Bovenaan de lijst

Die Lambverschuiving is in de jaren veertig voor het eerst gemeten bij gewone waterstofatomen.

„De Lambverschuiving was een belangrijke ontdekking die leidde tot de ontwikkeling van de moderne quantumfysica”, vertelt Hangst. „Vanwege dit historische belang stond deze meting al dertig jaar boven aan de lijst met metingen die we wilden doen als we genoeg controle over antiwaterstof zouden hebben.”

Nu is het voor het eerst gelukt om aan te tonen dat antiwaterstof dezelfde Lambverschuiving kent als gewoon waterstof.

„Het is indrukwekkend dat ze antiwaterstofatomen kunnen gebruiken voor deze precisiemetingen”, zegt Robert Fleischer, theoretisch fysicus bij het Nederlandse onderzoeksinstituut Nikhef en hoogleraar aan de Vrije Universiteit Amsterdam. „Bovendien zijn de resultaten voor ons als theoretici belangrijk en interessant om te begrijpen hoe antiwaterstof zich gedraagt en of materie en antimaterie in dit systeem inderdaad elkaars perfecte spiegelbeeld zijn.”