Sinds het bestaan van antimaterie in het begin van de 20e eeuw werd voorgesteld, hebben wetenschappers geprobeerd te begrijpen hoe deze zich verhoudt tot normale materie en waarom er een schijnbare onbalans is tussen de twee in het heelal. Om dit te doen, heeft het onderzoek naar deeltjesfysica de afgelopen decennia zich gericht op het antideeltje van het meest elementaire en overvloedige atoom in het heelal - het antiwaterstofdeeltje.
Tot voor kort was dit erg moeilijk, omdat wetenschappers in staat waren om anti-waterstof te produceren, maar het niet lang konden bestuderen voordat het vernietigd werd. Maar volgens een recente studie die werd gepubliceerd in Natuur, een team dat het ALPHA-experiment gebruikte, kon de eerste spectrale informatie over antiwaterstof verkrijgen. Deze prestatie, die 20 jaar in de maak was, zou een geheel nieuw tijdperk van onderzoek naar antimaterie kunnen openen.
Meten hoe elementen licht absorberen of uitstralen - dat wil zeggen spectroscopie - is een belangrijk aspect van de natuurkunde, scheikunde en astronomie. Het stelt wetenschappers niet alleen in staat atomen en moleculen te karakteriseren, het stelt astrofysici in staat om de samenstelling van verre sterren te bepalen door het spectrum van het licht dat ze uitzenden te analyseren.
In het verleden zijn er veel onderzoeken uitgevoerd naar het spectrum van waterstof, dat ongeveer 75% uitmaakt van alle baryonische massa in het heelal. Deze hebben een cruciale rol gespeeld in ons begrip van materie, energie en de evolutie van meerdere wetenschappelijke disciplines. Maar tot voor kort was het ongelooflijk moeilijk om het spectrum van zijn antideeltje te bestuderen.
Om te beginnen vereist het dat de deeltjes die antiwaterstof vormen - antiprotonen en positronen (anti-elektronen) - worden opgevangen en gekoeld, zodat ze bij elkaar kunnen komen. Daarnaast is het dan nodig om deze deeltjes lang genoeg vast te houden om hun gedrag te observeren, voordat ze onvermijdelijk contact maken met normale materie en vernietigen.
Gelukkig is de technologie de afgelopen decennia zo ver gevorderd dat onderzoek naar antimaterie nu mogelijk is, waardoor wetenschappers de kans krijgen om af te leiden of de fysica achter antimaterie consistent is met het standaardmodel of daarbuiten gaat. Zoals het CERN-onderzoeksteam - dat werd geleid door Dr. Ahmadi van de afdeling Fysica van de Universiteit van Liverpool - in hun onderzoek aangaf:
"Het standaardmodel voorspelt dat er na de oerknal evenveel materie en antimaterie in het oorspronkelijke universum had moeten zijn, maar het universum van vandaag bestaat vrijwel geheel uit gewone materie. Dit motiveert natuurkundigen om antimaterie zorgvuldig te bestuderen, om te zien of er een kleine asymmetrie is in de natuurwetten die de twee soorten materie beheersen. ”
Vanaf 1996 werd dit onderzoek uitgevoerd met het AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA) experiment, een onderdeel van de CERN Antiproton Decelerator-faciliteit. Dit experiment was verantwoordelijk voor het vangen van antiprotons en positronen, en vervolgens af te koelen tot het punt waarop ze kunnen combineren om anithydrogen te vormen. Sinds 2005 is deze taak de verantwoordelijkheid geworden van ATHENA's opvolger, het ALPHA-experiment.
Met behulp van bijgewerkte instrumenten vangt ALPHA atomen van neutraal antiwaterstof op en houdt ze voor een langere periode vast voordat ze onvermijdelijk vernietigd worden. Gedurende deze tijd voeren onderzoeksteams spectrografische analyses uit met ALPHA's ultraviolette laser om te zien of de atomen dezelfde wetten naleven als waterstofatomen. Zoals Jeffrey Hangst, de woordvoerder van de ALPHA-samenwerking, uitlegde in een CERN-update:
“Het gebruik van een laser om een overgang in antiwaterstof te observeren en deze te vergelijken met waterstof om te zien of ze dezelfde natuurkundige wetten gehoorzamen, is altijd een belangrijk doel geweest van antimaterieonderzoek… Het verplaatsen en opsluiten van antiprotons of positronen is gemakkelijk omdat het geladen deeltjes zijn. Maar als je de twee combineert, krijg je neutraal antiwaterstof, wat veel moeilijker te vangen is, daarom hebben we een heel speciale magnetische val ontworpen die uitgaat van het feit dat antiwaterstof een klein beetje magnetisch is. ”
Hiermee kon het onderzoeksteam de lichtfrequentie meten die nodig is om een positron over te laten gaan van het laagste energieniveau naar het volgende. Wat ze ontdekten was dat er (binnen experimentele grenzen) geen verschil was tussen de spectrale gegevens over waterstof en die van waterstof. Deze resultaten zijn een experimentele primeur, aangezien ze de eerste spectrale waarnemingen zijn die ooit van een antiwaterstofatoom zijn gemaakt.
Behalve dat ze voor het eerst vergelijkingen tussen materie en antimaterie mogelijk maken, tonen deze resultaten aan dat het gedrag van antimaterie - met betrekking tot de spectrografische kenmerken ervan - consistent is met het standaardmodel. Ze komen met name overeen met wat bekend staat als Charge-Parity-Time (CPT) symmetrie.
Deze symmetrietheorie, die fundamenteel is voor de gevestigde fysica, voorspelt dat het energieniveau in materie en antimaterie hetzelfde zou zijn. Zoals het team in hun studie uitlegde:
“We hebben de eerste laserspectroscopische meting uitgevoerd op een antimaterie-atoom. Dit is al lang een gewilde prestatie in de energiezuinige antimaterie-fysica. Het markeert een keerpunt van proof-of-principle-experimenten tot serieuze metrologie en nauwkeurige CPT-vergelijkingen met behulp van het optische spectrum van een anti-atoom. Het huidige resultaat ... toont aan dat tests van fundamentele symmetrieën met antimaterie bij het AD snel rijpen. ”
Met andere woorden, de bevestiging dat materie en antimaterie vergelijkbare spectrale kenmerken hebben, is nog een andere aanwijzing dat het standaardmodel standhoudt - net als de ontdekking van het Higgs-boson in 2012. Het toonde ook de effectiviteit van het ALPHA-experiment bij het vangen van antimateriedeeltjes, wat andere anti-waterstof experimenten ten goede zal komen.
Uiteraard waren de CERN-onderzoekers erg enthousiast over deze vondst en er wordt verwacht dat deze ingrijpende gevolgen zal hebben. Naast het aanbieden van een nieuwe manier om het standaardmodel te testen, zal het naar verwachting ook een grote bijdrage leveren aan het helpen van wetenschappers om te begrijpen waarom er een onevenwicht tussen materie en antimaterie is in het universum. Weer een cruciale stap om precies te ontdekken hoe het heelal zoals we het kennen is ontstaan.
