Materie is onderhevig aan zwaartekracht. De algemene relativiteitstheorie van Einstein had voorspeld dat antimaterie ook op dezelfde manier naar de aarde zou moeten vallen. Tot nu toe was er echter geen direct experimenteel bewijs dat dit aantoonde. Het ALPHA-experiment bij CERN is het eerste directe experiment waarvan het effect is waargenomen zwaartekracht over de beweging van antimaterie. De bevindingen sloten weerzinwekkende 'antizwaartekracht' uit en hielden dat in stand zwaartekracht invloeden materie en antimaterie op een vergelijkbare manier. Er werd waargenomen dat atomen van antiwaterstof (een positron baan een antiproton) viel op dezelfde manier naar de aarde als waterstofatomen.
Antimaterie bestaat uit antideeltjes (positronen, antiprotonen en antineutronen zijn antideeltjes van elektronen, protonen en neutronen). Materie en antimaterie vernietigen elkaar volledig wanneer ze in contact komen en energie achterlaten.
Materie en antimaterie werden in het begin in gelijke hoeveelheden gecreëerd universum door Big Bang. We vinden nu echter geen antimaterie in de natuur (materie-antimaterie asymmetrie). Materie domineert. Als gevolg hiervan is het begrip van de eigenschappen en het gedrag van antimaterie onvolledig. Met betrekking tot het effect van de zwaartekracht op de beweging van antimaterie had de algemene relativiteitstheorie voorspeld dat antimaterie ook op een vergelijkbare manier zou moeten worden beïnvloed, maar er was geen directe experimentele waarneming die dat kon bevestigen. Sommigen hadden zelfs betoogd dat, in tegenstelling tot materie (die onderhevig is aan zwaartekracht), antimaterie kan onderhevig zijn aan weerzinwekkende 'antizwaartekracht', wat is uitgesloten door de onlangs gepubliceerde bevindingen van CERN's ALPHA-experiment.
De eerste stap was het maken van anti-atomen in het laboratorium en het controleren ervan om te voorkomen dat ze met materie in aanraking zouden komen en vernietigd zouden worden. Het klinkt misschien gemakkelijk, maar het duurde meer dan drie decennia om dit te doen. De onderzoekers richtten zich op 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 geproduceerd in het laboratorium en bond ze met positief geladen positronen uit een natrium-22-bron om anti-waterstofatomen te creëren die vervolgens in een magnetische val werden opgesloten om vernietiging met materie-atomen te voorkomen. De magnetische val werd uitgeschakeld om anti-waterstofatomen gecontroleerd te laten ontsnappen in een verticaal apparaat ALPHA-g en de verticale posities waarop de anti-waterstofatomen annihileren met materie werden gemeten. De onderzoekers hebben groepen van ongeveer 100 anti-waterstofatomen gevangen. Ze lieten langzaam antiatomen van één groep vrij gedurende een periode van 20 seconden door de stroom in de bovenste en onderste magneten te verminderen. Ze ontdekten dat het aandeel anti-atomen dat via de boven- en onderkant bestond, overeenkwam met de resultaten voor atomen uit simulaties. Er werd ook gevonden dat de versnelling van een anti-waterstofatoom consistent was met de bekende versnelling als gevolg van zwaartekracht tussen materie en de aarde, wat suggereert dat antimaterie onderhevig is aan dezelfde aantrekkingskracht als materie en niet aan enige afstotende 'antizwaartekracht'.
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
***
