Wetenschappers hebben de meest nauwkeurige meting van antimaterie tot nu toe gemaakt, en de resultaten verdiepen alleen het mysterie waarom het leven, het universum en alles daarin bestaat.
De nieuwe metingen tonen aan dat antimaterie en materie zich met een ongelooflijk hoge mate van precisie identiek gedragen.
Maar die nieuwe metingen kunnen een van de grootste vragen in de natuurkunde niet beantwoorden: waarom, als gelijke delen materie en antimaterie werden gevormd tijdens de oerknal, bestaat ons universum vandaag dan uit materie?
Heelal in balans
Ons universum is gebaseerd op de balans van tegenstellingen. Voor elk type "normaal" deeltje, gemaakt van materie, is er een geconjugeerd antideeltje met dezelfde massa dat tegelijkertijd de tegenovergestelde elektrische lading heeft. Elektronen hebben tegengestelde antielectronen of positronen; protonen hebben antiprotonen; enzovoort.
Wanneer materie en antimaterie-deeltjes elkaar echter ontmoeten, vernietigen ze elkaar en laten ze alleen de overgebleven energie achter. Natuurkundigen stellen dat er door de oerknal evenveel materie en antimaterie had moeten ontstaan, en dat elk van hen de wederzijdse vernietiging zou hebben verzekerd, waardoor een babyuniversum zonder de bouwstenen van het leven (of wat dan ook) zou achterblijven. Toch zijn we hier, in een universum dat bijna geheel uit materie bestaat.
Maar hier is de kicker: we kennen geen primordiale antimaterie die de oerknal heeft gehaald. Dus waarom - als antimaterie en materie zich op dezelfde manier gedragen - overleefde het ene type materie de oerknal en het andere niet?
Een van de beste manieren om die vraag te beantwoorden, is door de fundamentele eigenschappen van materie en de antimaterieconjugaten ervan zo nauwkeurig mogelijk te meten en die resultaten te vergelijken, zei Stefan Ulmer, een natuurkundige bij Riken in Wako, Japan, die niet betrokken was bij de nieuwe Onderzoek. Als er een kleine afwijking is tussen materiaaleigenschappen en gecorreleerde antimaterie-eigenschappen, zou dat de eerste aanwijzing kunnen zijn voor het oplossen van de grootste whodunit van de natuurkunde. (In 2017 ontdekten wetenschappers enkele kleine verschillen in de manier waarop sommige antimateriepartners zich gedragen, maar de resultaten waren niet statistisch sterk genoeg om als ontdekking te gelden.)
Maar als wetenschappers antimaterie willen manipuleren, moeten ze het met zorg maken. In de afgelopen jaren zijn sommige natuurkundigen begonnen met het bestuderen van anti-waterstof, of de antimaterie-tegenhanger van waterstof, omdat waterstof "een van de dingen is die we het beste begrijpen in het universum", vertelde co-auteur Jeffrey Hangst, een fysicus aan de Aarhus Universiteit in Denemarken, aan WordsSideKick.com . Het maken van antiwaterstof houdt typisch in dat 90.000 antiprotonen worden gemengd met 3 miljoen positronen om 50.000 anti-waterstofatomen te produceren, waarvan er slechts 20 worden gevangen met magneten in een 11 inch lange (28 centimeter) cilindrische buis voor verder onderzoek.
Nu, in een nieuwe studie die vandaag (4 april) in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, heeft het team van Hangst een ongekende norm bereikt: ze hebben tot nu toe de meest nauwkeurige meting van antiwaterstof - of welk antimaterie dan ook - gedaan. In 15.000 anti-waterstofatomen (denk dat je dat eerder genoemde mengproces zo'n 750 keer doet), bestudeerden ze de lichtfrequentie die de atomen uitzenden of absorberen wanneer ze van een lagere energietoestand naar een hogere springen.
De metingen van de onderzoekers toonden aan dat de energieniveaus van anti-waterstofatomen en de hoeveelheid geabsorbeerd licht overeenkwamen met hun waterstof-tegenhangers, met een precisie van 2 delen per biljoen, waardoor de eerdere meetprecisie in de orde van grootte van delen per miljard dramatisch verbeterde.
"Het komt zeer zelden voor dat experimentalisten de precisie met een factor 100 verhogen," vertelde Ulmer aan WordsSideKick.com. Hij denkt dat, als het team van Hangst het werk nog 10 tot 20 jaar voortzet, ze hun nauwkeurigheid van waterstofspectroscopie met nog een factor 1000 kunnen verhogen.
Voor Hangst - de woordvoerder van de ALPHA-samenwerking bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN), die deze resultaten opleverde, was deze prestatie tientallen jaren in de maak.
Het opsluiten en vasthouden van antimaterie was een grote prestatie, zei Hangst.
'Twintig jaar geleden dachten mensen dat dit nooit zou gebeuren', zei hij. 'Het is een experimenteel hoogstandje om dit te kunnen doen.'
De nieuwe resultaten zijn zeer indrukwekkend, vertelde Michael Doser, een natuurkundige bij CERN die niet bij het werk betrokken was, in een e-mail aan WordsSideKick.com.
"Het aantal opgesloten atomen voor deze meting (15.000) is een enorme verbetering ten opzichte van eigen records van slechts een paar jaar geleden", zei Doser.
Dus wat vertelt de meest nauwkeurige meting van antimaterie ons zelfs? Nou, helaas niet veel meer dan we al wisten. Zoals verwacht gedragen waterstof en antiwaterstof - materie en antimaterie - zich identiek. Nu weten we gewoon dat ze identiek zijn bij een meting van delen per biljoen. Ulmer zei echter dat de meting van 2 delen per biljoen de mogelijkheid niet uitsluit dat er iets afwijkt tussen de twee soorten materie met een nog grotere nauwkeurigheid die tot nu toe de meting heeft getrotseerd.
Wat Hangst betreft, hij is minder bezorgd over het beantwoorden van de vraag waarom ons universum van materie bestaat zoals het zonder antimaterie bestaat - wat hij 'de olifant in de kamer' noemt. In plaats daarvan willen hij en zijn groep zich concentreren op het maken van nog nauwkeurigere metingen en onderzoeken hoe antimaterie met zwaartekracht reageert - valt het neer als normale materie of kan het vallen?
En Hangst denkt dat mysterie voor eind 2018 kan worden opgelost, wanneer CERN voor upgrades twee jaar wordt stilgelegd. 'We hebben nog meer trucs in petto', zei hij. "Blijf kijken."
