Materie is onderhevig aan zwaartekracht. Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelde dat antimaterie op dezelfde manier naar de aarde zou vallen. Tot dan toe was er echter geen direct experimenteel bewijs voor. Het ALPHA-experiment bij CERN is het eerste directe experiment dat het effect van zwaartekracht op de beweging van antimaterie heeft waargenomen. De bevindingen sloten afstotende 'antizwaartekracht' uit en toonden aan dat zwaartekracht materie en antimaterie op een vergelijkbare manier beïnvloedt . Er werd waargenomen dat atomen van antiwaterstof (een positron dat om een antiproton draait ) op dezelfde manier naar de aarde vielen als atomen van waterstof.
Antimaterie bestaat uit antideeltjes (positronen, antiprotonen en antineutronen zijn de antideeltjes van elektronen, protonen en neutronen). Materie en antimaterie vernietigen elkaar volledig wanneer ze met elkaar in contact komen, waarbij energie achterblijft.
Materie en antimaterie werden in gelijke hoeveelheden gecreëerd in het vroege heelal door de oerknal. Tegenwoordig vinden we echter geen antimaterie meer in de natuur ( materie-antimaterie-asymmetrie ). Materie domineert. Daardoor is onze kennis van de eigenschappen en het gedrag van antimaterie onvolledig. Wat betreft de invloed van zwaartekracht op de beweging van antimaterie, voorspelde de algemene relativiteitstheorie dat antimaterie op een vergelijkbare manier beïnvloed zou worden, maar er waren geen directe experimentele waarnemingen om dit te bevestigen. Sommigen beweerden zelfs dat antimaterie , in tegenstelling tot materie (die onderhevig is aan zwaartekracht), onderhevig zou kunnen zijn aan afstotende 'antigravitatie', wat echter is weerlegd door de recent gepubliceerde resultaten van het ALPHA-experiment van CERN.
De eerste stap was het maken van anti-atomen in het laboratorium en het beheersen ervan om te voorkomen dat ze materie tegenkwamen en annihileerden. Dat klinkt misschien eenvoudig, maar het duurde meer dan dertig jaar om dat te bereiken. De onderzoekers kozen antiwaterstofatomen als een ideaal systeem om het zwaartekrachtgedrag van antimaterie te bestuderen, omdat antiwaterstofatomen elektrisch neutrale en stabiele antimateriedeeltjes zijn. Het onderzoeksteam nam negatief geladen antiprotonen die in het laboratorium waren geproduceerd en bond deze aan positief geladen positronen uit een natrium-22-bron om antiwaterstofatomen te creëren. Deze werden vervolgens opgesloten in een magnetische val om annihilatie met materieatomen te voorkomen. De magnetische val werd uitgeschakeld om de antiwaterstofatomen op gecontroleerde wijze te laten ontsnappen in een verticaal apparaat, ALPHA-g. De verticale posities waarop de antiwaterstofatomen annihileerden met materie werden gemeten. De onderzoekers vingen groepen van ongeveer 100 antiwaterstofatomen. Ze lieten de anti-atomen van één groep langzaam vrij gedurende een periode van 20 seconden door de stroom in de bovenste en onderste magneten te verlagen. Ze ontdekten dat de verhouding tussen anti-atomen aan de boven- en onderkant overeenkwam met de resultaten voor atomen uit simulaties. Ook bleek dat de versnelling van een antiwaterstofatoom consistent was met de bekende versnelling als gevolg van de zwaartekracht tussen materie en de aarde. Dit suggereert dat antimaterie onderhevig is aan dezelfde zwaartekracht als materie en niet aan een afstotende 'antigravitatie'.
Deze bevinding is een mijlpaal in het onderzoek naar het zwaartekrachtgedrag van antimaterie.
***
Bronnen:
- CERN 2023. Nieuws – ALPHA-experiment op CERN observeert de invloed van de zwaartekracht op antimaterie. Geplaatst op 27 september 2023. Beschikbaar op https://www.home.cern/news/news/physics/alpha-experiment-cern-observes-influence-gravity-antimatter Geraadpleegd op 27 september 2023.
- Anderson, EK, Baker, CJ, Bertsche, W. et al. Observatie van het effect van de zwaartekracht op de beweging van antimaterie. Natuur 621, 716–722 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1
***
