N.B. Het kan zijn dat elementen ontbreken aan deze printversie.
Natuurkunde De zwaartekracht werkt net zo op antimaterie als op gewone materie. Dat is nu aangetoond in een experiment bij CERN.
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data105860442-dd28bc.jpg)
Als je antimaterie loslaat dan tuimelt het naar beneden, net als gewone materie. Dat hebben wetenschappers aangetoond met het ALPHA-g-experiment bij CERN in Genève met de antimaterie-tegenhangers van het waterstofatoom, antiwaterstofatomen.
Het resultaat is voor de meeste natuurkundigen geen verrassing. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein voorspelt dat alle objecten, ongeacht hun vorm en samenstelling op dezelfde manier reageren op zwaartekracht. Einsteins theorie is veelvuldig getest met gewone materie. En eerdere experimenten wezen erop dat hij ook geldt voor antimaterie. Maar tot het ALPHA-g-experiment was dit nooit direct getest.
No-brainer
„Een theorie is zo goed als het experiment dat die theorie bewijst”, zegt Jeffrey Hangst van Aarhus University, woordvoerder van het ALPHA-g-experiment. „Bovendien zijn er open vragen in de natuurkunde over zowel zwaartekracht als antimaterie. We moesten dit dus onderzoeken. Het was een no-brainer.” De resultaten verschenen woensdag in Nature.
Antimaterie kun je zien als het spiegelbeeld van gewone materie. Elk materiedeeltje heeft een antimaterie-tegenhanger. Het anti-elektron (genaamd positron) is bijvoorbeeld net zo zwaar als een elektron, maar heeft een positieve lading in plaats van een negatieve. In het universum is nauwelijks antimaterie, terwijl er volgens theorieën na de oerknal net zo veel materie als antimaterie was. Waarom de antimaterie verdween, is een raadsel. Door te zoeken naar verschillen tussen materie en antimaterie – bijvoorbeeld in de manier waarop het valt – hopen wetenschappers dit op te lossen.
Omdat het nauwelijks voorkomt, moeten wetenschappers antimaterie maken met complexe apparatuur. Voor de antiwaterstofatomen combineren ze antiprotonen die geproduceerd worden in een nabijgelegen deeltjesversneller met positronen die ontstaan bij radioactief verval. Hangst: „We gebruiken antiwaterstofatomen in plaats van antiprotonen of positronen, omdat de zwaartekracht zwak is in vergelijking met de elektromagnetische kracht. We hebben iets zonder elektrische lading nodig als we kans willen maken om zwaartekrachteffecten te meten.”
Kooi van magneetvelden
Het experiment in Genève is de enige plek waar antiatomen gemaakt en dagenlang bewaard kunnen worden. Voor het bewaren is een vacuüm nodig, want als antimaterie in contact komt met gewone materie dan heffen ze elkaar op en verdwijnen in een plofje energie. Ze houden de antiatomen gevangen in een kooi van magneetvelden en koelen ze zodanig af dat ze nauwelijks bewegen.
De fysici brachten zo’n stabiele wolk van ongeveer honderd antiwaterstofatomen in vrije val door de kooi aan de boven- en onderkant te openen. Vervolgens telden ze hoeveel antiatomen er aan elke kant uitkwamen. Omdat de antideeltjes zelfs bij extreem lage temperaturen nog een beetje stuiteren, zal er altijd wat aan de bovenkant uitkomen. Maar als antiatomen zwaartekracht ervaren net als gewone materie, dan verwacht je de meeste aan de onderkant. Dat bleek het geval.
Dit is een van de belangrijkste fundamentele natuurkundige experimenten is die ooit is gedaan
De wetenschappers herhaalden het experiment in de aanwezigheid van een magneetveld die de zwaartekracht precies zou opheffen. Dan verwacht je ongeveer evenveel antiatomen aan de bovenkant als aan de onderkant. „We hebben ze niet alleen simpelweg laten vallen, we hebben met ze gespeeld”, zegt Hangst. Ook in het magneetveld gedroegen de antiatomen zich zoals verwacht.
„Ik denk dat dit een van de belangrijkste fundamentele natuurkundige experimenten is die ooit is gedaan”, zegt antimaterie-onderzoeker Stefan Ulmer van de HHU Düsseldorf en niet betrokken bij het experiment. „Ze hebben een monster van een experiment ontworpen dat antiwaterstof nauwkeurig controleert. Dat is buitengewoon lastig. Daarmee hebben ze modellen die voorspelden dat het omhoog zou vallen uitgesloten.”
Hoewel het experiment aantoont dat antiatomen naar beneden vallen, was het niet nauwkeurig genoeg om te bewijzen dat ze op precies dezelfde manier vallen als gewone materie. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen of antimaterie echt ‘gewoon’ naar beneden valt.
