24 augustus 2017

Voor het eerst is het spectrum van antimaterie gemeten

Licht van ongebonden antiwaterstofatomen, die annihileren op de binnenzijde van de ALPHA detector. Het licht wordt vervolgens gemeten door de ALPHA annihilatie detector.

Natuurkundigen zijn er in geslaagd om met het ALPHA experiment van CERN voor het eerst een optisch spectrum te meten van een atoom van antimaterie. Het gaat om antiwaterstofatomen, die bestaan uit een antiproton in de kern en een positron (anti-elektron), die om de kern draait. Het bestaan van die twee deeltjes is al heel lang experimenteel vastgesteld – het positron al in 1932, het antiproton in 1955 – maar in combinatie als antiwaterstofatoom pas zeer recent. Bij hoge energie experimenten, zoals door CERN bij Genève, kunnen paren van deeltjes en antideeltjes ontstaan. Doe je niets dan annihileren die paren en ontstaat gammastraling. Scheid je de deeltjes echter tijdig en weet je het antimaterie te vangen in een magnetisch veld, dan kan het antideeltje blijven bestaan. Het verschil tussen deeltjes en antideeltjes zit ‘m in de lading. Protonen zijn positief geladen, antiprotonen negatief, elektronen zijn negatief geladen, positronen positief. Als een proton en een elektron combineren krijg je het meest eenvoudige atoom dat er bestaat, het waterstofatoom.

Links een waterstofatoom, bestaande uit een proton en een elektron. Rechts een antiwaterstofatoom, bestaande uit een antiproton en een positron.

In principe kan dat ook met antimaterie: combineer een antiproton met een positron en je krijgt een antiwaterstofatoom. Probleem is alleen dat als je er in slaagt een antiproton en een positron te combineren de ladingen van antiproton en positron elkaar opheffen en het atoom neutraal wordt. En dan werkt het magnetische veld, waarin het antiwaterstofatoom gevangen moet worden, niet meer en stoot het tegen de wand, waarna door annihilatie met de materie het antiwaterstofatoom wordt omgezet in licht.

Der ruimte van het ALPHA experiment bij CERN.

Door speciale technieken met bijzondere magnetische ‘oktopoolvelden’ is men er echter bij ALPHA toch in geslaagd om die antiwaterstofatomen maar liefst 300 seconden gevangen te houden (‘trapped’) en er experimenten mee te doen. Men richtte een laser (met neutraal geladen fotonen) op de antideeltjes en daardoor wist men voor het eerst een overgang van een positron in een andere baan te bewerkstelligen, een zogeheten 1S-2S overgang, van de grondtoestand naar een hogere, aangeslagen toestand. Die overgang is bij gewone waterstof al heel lang bekend, maar nu is ‘ie dus voor het eerst ook bij een antiwaterstofatoom gemeten. En wat blijkt: door de overgang wordt bij een specifieke golflengte een lichtdeeltje uitgezonden en dat blijkt bij waterstof en antiwaterstof precies hetzelfde te zijn. Het optische spectrum van materie en antimaterie is dus hetzelfde – nou ja, in dit experiment tenminste. Hieronder een video over het ALPHA experiment.

Met experimenten zoals bij ALPHA hoopt men meer te weten te komen over antimaterie en al decennia bestaande en nog onopgeloste vragen, zoals waarom er veel meer materie dan antimaterie in het heelal is, te beantwoorden.

Hier voor de liefhebbers het vakartikel over de waarneming aan het optische spectrum van antiwaterstof, gepubliceerd in Nature. Bron: Bad Astronomy + Koberlein.

Laat wat van je horen

*