Tot voor kort was het al een hele klus om antiwaterstof langer dan een fractie van een seconde ‘in leven’ te houden. Maar nu lijkt het tijdperk aangebroken waarin we echt kunnen gaan experimenteren met dit soort deeltjes.

Zoals een atoom waterstof bestaat uit een proton en een elektron, zo bestaat een atoom antiwaterstof uit een antiproton en een anti-elektron. Graag zouden natuurkundigen allerlei metingen aan zo’n antiwaterstofatoom verrichten, om te zien of het zich hetzelfde gedraagt als een gewoon waterstofatoom. Helaas is dat in de praktijk erg lastig. Als een antimateriedeeltje in contact komt met het corresponderende gewone deeltje, verdwijnen namelijk ze allebei.

Antiwaterstof is daarom geen lang leven beschoren, tenzij je het op de een of andere manier bij gewone materie uit de buurt weet te houden. Dat kan bijvoorbeeld met behulp van een antimaterieval, die gebruikmaakt van magnetische velden om antideeltjes in het luchtledige te laten hangen. Dat laatste lukt inmiddels heel aardig; afgelopen zomer meldden we dat het CERN-experiment ALPHA er met zo’n magnetische val in was geslaagd antiwaterstofatomen maar liefst zestien minuten te laten bestaan.

Nu laat hetzelfde team in Nature opnieuw van zich horen. De reden: het is de natuurkundigen gelukt om antiwaterstofatomen uit de val te laten zweven. Hoe? Door met microgolven de spin van het anti-elektron, die de waarde ‘op’ of ‘neer’ kan hebben, om te klappen naar de andere mogelijke waarde. Daardoor verandert het antiwaterstofatoom van een deeltje dat de plek opzoekt waar het magnetisch veld het zwakst is (oftewel: het midden van de val), in een deeltje dat juist beweegt naar waar dat veld het sterkst is (oftewel: de val uit).

Aangeslagen toestand

In eerste instantie klinkt het bovengenoemde onderzoek misschien als een vreemde actie. Waarom zou je eerst je uiterste best doen om antideeltjes zo lang mogelijk in een magnetische val gevangen te houden, om er vervolgens voor te zorgen dat ze daaruit kunnen ontsnappen? De reden is dat natuurkundigen uiteindelijk een antiwaterstofatoom een foton willen laten uitzenden. De vraag die ze daarmee hopen te beantwoorden, is: heeft zo’n foton precies dezelfde golflengte als een foton dat is uitgezonden door een gewoon waterstofatoom?

Om een antiwaterstofatoom zo’n foton te laten uitzenden, moet je het eerst in een zogenoemde aangeslagen toestand zien te brengen. Dat doe je door er elektromagnetische golven op af te sturen met de juiste golflengte. En dat is iets waarvoor het ALPHA-team nu dus heeft ‘geoefend’ door met microgolven waterstofatomen uit hun val te bevrijden. Vervolgens moet het experiment worden geüpgrade om antiwaterstofatomen zo ver te kunnen krijgen dat ze fotonen gaan uitzenden, zegt Dirk Peter van der Werf, een van origine Nederlandse wetenschapper betrokken bij het experiment.

Nieuwe natuurkunde?

Mocht dat laatste straks lukken, dan kunnen daar twee dingen uitkomen. Mogelijkheid één is dat er op dit punt totaal geen verschil is tussen waterstof en antiwaterstof. In dat geval is het resultaat in overeenstemming met onze huidige theorieën. Mogelijkheid twee, waarbij er wél een verschil wordt geconstateerd, is interessanter. “Dat kan duiden op new physics”, zegt Van der Werf. “Ook zou het kunnen verklaren waarom er na de oerknal meer materie overbleef dan antimaterie, hoewel je zou verwachten dat er van beide evenveel is ontstaan.”

Aangezien wij ons bestaan danken aan dit overschot aan materie – als er evenveel materiedeeltjes waren geweest als antimateriedeeltjes, hadden ze elkaar vernietigd en was het heelal nu leeg geweest – is die kwestie een behoorlijk grote vraag binnen de natuurkunde. En wie weet komen we straks met ALPHA een stapje dichter bij het antwoord daarop.

Bron: Nature, CERN, Simon Fraser University via EurekAlert!

Beeld: