Experimenten uitgevoerd in CERN bewijzen dat antimaterie zich net zo gedraagt als materie. Kortom, voor antimaterie bestaat er geen antizwaartekracht.
Antimaterie is een fascinerend onderwerp in de natuurkunde. Hoewel antimaterie in laboratoria kan worden geproduceerd, komt het niet veel voor in het universum, waar natuurkundigen zich nog altijd het hoofd over breken. In een nieuwe, baanbrekende studie stelden onderzoekers zichzelf een interessante vraag. Want als je antimaterie zou laten vallen, valt het dan net als gewone materie naar beneden, of blijft het zweven?
Materie vs antimaterie
Even terug naar het begin. Want wat is materie en antimaterie nou precies? Onze lichamen, de aarde en bijna alles wat wetenschappers kennen in het universum, bestaan grotendeels uit gewone materie. Materie bestaat op zijn beurt weer uit protonen, neutronen en elektronen, zoals atomen van zuurstof, koolstof, ijzer en de andere elementen van het periodiek systeem. Antimaterie is eigenlijk het ‘tweelingbroertje’ van gewone materie, maar heeft enkele tegengestelde eigenschappen. Zo hebben antiprotonen bijvoorbeeld een negatieve lading, in tegenstelling tot protonen die positief geladen zijn. En anti-elektronen, die ook bekendstaan als positronen, hebben juist een positieve lading, terwijl gewone elektronen negatief geladen zijn.
Explosie
Maar misschien wel het meest uitdagende is volgens onderzoeker Joel Fajans het volgende: “zodra antimaterie materie raakt, explodeert het,” vertelt hij. De gecombineerde massa van materie en antimaterie wordt volledig omgezet in energie in een reactie die zo krachtig is dat wetenschappers het een vernietiging noemen. “Als we naar een bepaalde hoeveelheid massa kijken, dan is de omzetting ervan in energie via dit proces de meest compacte vorm van energieafgifte die we tot nu toe hebben waargenomen,” aldus Fajans.
Kosmische raadsels
In een nieuwe studie vroegen de onderzoekers zich af wat er gebeurt als je antimaterie laat vallen. Het idee dat materie en antimaterie mogelijk anders worden beïnvloed door de zwaartekracht is verleidelijk, omdat dit enkele kosmische raadsels zou kunnen oplossen. Dit zou mogelijk hebben geleid tot een situatie waarin materie en antimaterie in het vroege universum van elkaar werden gescheiden. Deze scheiding zou kunnen verklaren waarom we alleen maar een kleine hoeveelheid antimaterie in ons huidige universum waarnemen. Volgens de meeste theorieën zou er tijdens de oerknal evenveel materie als antimaterie moeten zijn ontstaan. Alleen deze antimaterie is op de een of andere manier in veel grotere mate verdwenen, wat één van de grootste mysteries in het universum is.
Toren van Pisa-experiment
“Je zou je kunnen afvragen waarom we niet gewoon het meest voor de hand liggende experiment uitvoeren, namelijk het laten vallen van een stuk antimaterie, iets in de trant van het Toren van Pisa-experiment,” zegt Fajans.” Je weet wel, het experiment van Galileo – wat overigens meer een legende is – waarbij hij naar verluidt een loden bal en een houten bal vanaf de top van de toren liet vallen en aantoonde dat ze tegelijkertijd de grond raakten. In ons geval laten we antimaterie los en kijken we of het omhoog of omlaag gaat.”
Het ALPHA-experiment
Voor dit experiment werd antiwaterstof opgesloten in een hoge cilindrische vacuümkamer met een magnetische val, waarvan de sterkte kon worden aangepast. De wetenschappers verminderden geleidelijk de kracht van de magnetische velden aan zowel de boven- als onderkant, zodat de antiwaterstofatomen konden ontsnappen. Telkens wanneer een antiwaterstofatoom de magnetische val verliet, botste het tegen de wanden van de kamer boven of onder de val en werd het vernietigd. Dit konden de wetenschappers waarnemen en tellen.
Het team herhaalde het experiment meer dan twaalf keer, waarbij ze de sterkte van het magnetische veld meerdere malen aanpasten. Ze merkten op dat wanneer de magnetische velden aan de boven- en onderkant precies in balans waren, ongeveer 80 procent van de antiwaterstofatomen aan de onderkant ontsnapte en vernietigd werd – een resultaat dat overeenkomt met hoe een wolk van gewoon waterstof zich onder dezelfde omstandigheden zou gedragen. Dus, kort gezegd, zwaartekracht zorgt ervoor dat antiwaterstof naar beneden valt.
Antimaterie valt
Het betekent dat wetenschappers nu hebben waargenomen hoe afzonderlijke atomen antiwaterstof naar beneden bewegen. En dat geeft een sluitend antwoord op de hoofdvraag: antimaterie valt dus net als materie omlaag. Voor degenen die nog steeds hoopten dat antimaterie zou zweven, zijn deze nieuwe bevindingen dan ook behoorlijk ontnuchterend. “Dit experiment markeert de allereerste keer dat een directe meting is uitgevoerd van de manier waarop zwaartekracht op antimaterie werkt,” zegt onderzoeker Jonathan Wurtele. “Het vertegenwoordigt een belangrijke stap in de wetenschap rond antimaterie.”
Einsteins algemene relativiteitstheorie
De resultaten zullen overigens de meeste natuurkundigen niet verbazen. De algemene relativiteitstheorie van Einstein, hoewel ontwikkeld voordat antimaterie in 1932 werd ontdekt, beschouwt alle materie op dezelfde manier. Dit betekent dat de zwaartekrachtskrachten op antimaterie en gewone materie op dezelfde manier moeten werken. “Het tegenovergestelde resultaat zou grote gevolgen hebben gehad,” zegt Wurtele. “Het zou in strijd zijn geweest met het zwakke equivalentieprincipe van Einsteins algemene relativiteitstheorie.”
Raadselachtig
Met de studie hebben onderzoekers het effect van zwaartekracht op het ongrijpbare broertje van materie onthuld. En dat maakt het mysterie over waarom er zo weinig antimaterie in het universum aanwezig is, alleen maar raadselachtiger. Een mogelijke verklaring voor dit mysterie was dat antimaterie tijdens de oerknal werd afgestoten door gewone materie onder invloed van zwaartekracht. Maar de nieuwe bevindingen wijzen erop dat deze theorie nu naar het rijk der fabelen kan worden verbannen. “We hebben nu vastgesteld dat antimaterie niet wordt afgestoten door zwaartekracht, maar eerder wordt aangetrokken,” legt Wurtele uit. “Dit betekent echter niet noodzakelijkerwijs dat er geen verschil is in de manier waarop zwaartekracht op antimaterie werkt. Alleen een meer precieze meting zal dat uiteindelijk kunnen bevestigen.”
De onderzoekers zijn voornemens hun onderzoek naar antiwaterstof voort te zetten. Naast het verfijnen van hun metingen met betrekking tot de effecten van zwaartekracht, zijn ze ook bezig met het bestuderen van hoe antiwaterstof reageert op elektromagnetische straling via spectroscopie. “Als antiwaterstof op de één of andere manier anders is dan gewoon waterstof, zou dat een baanbrekende ontdekking zijn,” zegt Wurtele. “Dit omdat de natuurwetten, zowel in de kwantummechanica als in de zwaartekracht, voorspellen dat hun gedrag hetzelfde zou moeten zijn. Maar je kunt dat pas met zekerheid zeggen nadat je dit met een experiment hebt aangetoond.”
