Je leest:

Exotisch antimaterie-atoom is ideale proeftuin voor nieuwe fysica

Exotisch antimaterie-atoom is ideale proeftuin voor nieuwe fysica

Meeste precieze metingen ooit aan antiprotonisch helium

Wetenschappers op het CERN zijn erin geslaagd om een atoom te maken dat bestaat uit zowel materie als anti-materie. Laserexperimenten bij extreem lage temperatuur stellen de natuurkundigen in staat om het standaardmodel van de deeltjesfysica tot in detail te testen. Het lijkt een veelbelovende manier om te speuren naar nieuwe fysica.

Veel mensen kennen het Europese deeltjeslaboratorium CERN van de Large Hadron Collider, een 27 kilometer lange deeltjesversneller waarin deeltjes met een zo groot mogelijke snelheid tegen elkaar worden gesmeten. Met het bestuderen van de brokstukken van de botsingen proberen fysici hun deeltjesmodellen te testen. Onbekender zijn de experimenten bij veel lagere energie. Natuurkundigen focussen zich daarbij vooral op exotische samenstellingen van deeltjes die in de ‘echte’ wereld vrijwel nooit voorkomen.

Cern aerial view
CERN is níet alleen de LHC. Vergroot voor meer uitleg.

Een van die exoten is het zogenoemde antiprotonisch helium, een deeltje dat lijkt op een helium-atoom, maar waarbij een van de twee Elektron is vervangen door een antiproton, een antimateriedeeltje (zie kader). Dat is bijzonder want antimaterie en materie kunnen elkaar niet luchten of zien; ze vernietigen elkaar bij aanraking. Toch kunnen wetenschappers ze samen een fractie van een seconde in een atoom stoppen en lasermetingen doen.

Natuurkundigen hebben nu deze lastige exercitie uitgebreid met een extra stap: het extreem koelen van het atoom. Daarbij gingen de onderzoekers als volgt te werk: het exotische materie-antimaterie-atoom werd in de Microseconde dat het bestaat gekoeld tot slechts anderhalve graad boven het absolute nulpunt. Vervolgens werd er een laserexperiment gedaan.

De CERN-onderzoekers konden door de lage temperatuur de massa van het antiproton met een grotere precisie dan ooit bepalen. Dat is belangrijk want volgens het Standaardmodel van de deeltjesfysica moet deze precies even zwaar zijn als het Proton , een afwijking zou betekenen dat er nog onbekende mechanismen aan het werk zijn. Misschien wel een nieuwe natuurkracht. Het onderzoek is deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Science gepubliceerd.

2000px positronium %28multilingual%29.svg
Positronium bestaat uit een elektron en zijn antideeltje, het positron.

Materie versus antimaterie

In de jaren ‘30 van de vorige eeuw kwam Paul Dirac puur door rekenwerk tot de conclusie dat het negatieve elektron een positief antideeltje moet hebben, met behalve de lading precies dezelfde eigenschappen. Hiermee is hij de ’ontdekker’ van antimaterie, dat in 1932 daadwerkelijk werd waargenomen. Er zijn veel meer antideeltjes, zoals het negatieve antiproton. Buiten experimentele opstellingen is antimaterie meestal geen lang leven beschoren, bij aanraking met materie vernietigt het zichzelf.

Testbank

Met het laserexperiment gingen natuurkundige Masaki Hori van het Duitse Max Planck Institut für Quantenoptik en collega’s op zoek naar zogenoemde energie-overgangen in het antiprotonisch helium. Het exotische atoom absorbeert hierbij een lichtdeeltje en zendt er vervolgens weer een uit. De hoeveelheid energie van deze fotonen is een maat voor een aantal fundamentele eigenschappen, zoals de massa’s van de deeltjes in het atoom.

Die massabepaling is belangrijk, want de deeltjesfysica drijft zoals gezegd op de aanname dat het antiproton precies evenveel weegt en precies de tegenovergestelde lading heeft als het proton. Tegelijkertijd dient het systeem als een extreem nauwkeurige testbank voor de quantumelektrodynamica, de vooralsnog meest complete theorie die het gedrag van deeltjes en licht beschrijft. Tot slot kunnen de energie-overgangen licht schijnen op het bestaan van een vermeende maar tot nu toe onbekende vijfde natuurkracht, die op extreem kleine schaal invloed heeft.

Schieten en vangen

Het antiprotonisch helium wordt gemaakt door een bundel van hoogenergetische protonen op een stuk iridium te schieten. Bij die botsingen ontstaan allerhande deeltjes, waaronder antiprotonen. Door zo’n antiproton vervolgens af te remmen met een tweede ‘versneller’ kan het in een heliumatoom worden opgenomen.

Antiprotonic helium.svg
Weergave van zogenoemd antiprotonisch helium. In dit exotische heliumatoom is een van de elektronen vervangen door een negatief antiproton, dat zich in een nauwe baan (rode cirkel) om de positieve atoomkern (He++) beweegt. Daaromheen zwermt het enige overgebleven elektron (e-, groen), dat als een soort beschermmantel voor het antiproton dient.

Om de precisie van de lasermetingen te vergroten, koelden Hori en collega’s zoals gezegd de atomen tot vlak boven het absolute nulpunt. Dat is knap, want de koeltechniek berust op interacties met een extreem koel gas waarmee het antiprotonisch helium botst: normaal gesproken zou dat het antiproton resoluut vernietigen. “Het mooie in dit atoom is dat het enige overgebleven elektron een soort beschermende schil vormt voor het antiproton dat zich dieper in het atoom bevindt”, zegt Wim Ubachs, professor Atoom-, Molecuul- en Laser Fysica van de Vrije Universiteit, die zelf vergelijkbare laserexperimenten met andere atomen doet.

“Dat dit met antiprotonisch helium kan is eigenlijk gewoon toeval, maar wel ontzettend handig voor experimentatoren”, zegt Ubachs. “Bovendien is het atoom relatief makkelijk met een laser door te lichten omdat de gezochte energie-overgangen precies in het zichtbare lichtspectrum liggen.”

Nieuwe fysica?

De natuurkundigen kunnen weer zacht gaan slapen, want het protonisch helium doet precies wat de theorieën voorspelden. Het antiproton weegt precies evenveel als een proton, ook houdt de quantumelektrodynamica stand en duiken er vooralsnog geen sporen op van een vijfde natuurkracht.

Maar hoe ver willen natuurkundigen eigenlijk nog gaan? Kunnen ze niet gewoon een keer áánnemen dat het proton en het antiproton precies evenveel wegen? Volgens Ubachs zullen natuurkundigen altijd preciezere metingen nastreven. “Neem de zogenoemde Lamb shift, een verschil tussen twee energieniveau’s van het waterstofatoom dat volgens de toenmalige theorie niet zou bestaan. Natuurkundige Willis Lamb liet met een experiment zien dat er wel degelijk een klein verschil was. Hij ontdekte daarmee de wisselwerking van het atoom met het vacuüm.”

“Er is momenteel een wereldwijde race gaande waarbij natuurkundigen met lasers naar de kleinste afwijkingen in het gedrag van atomen speuren”, vervolgt Ubachs. “Wij kijken in ons laboratorium niet naar antimaterie, maar naar gewone materie. Dit is mogelijk sinds 2005, toen lasers opkwamen die door een koppeling met een atoomklok extreem precies afgestemd zijn. Het lukt nu steeds beter om die experimenten uit te breiden, zoals met het koelen dat Hori en collega’s nu doen. De wetten van de fysica worden zo steeds nauwkeuriger getest.”

Bronnen

  • Ubachs W., A testing time for antimatter, Science (4 november 2016), DOI:10.1126/science.aah6215
  • Hori M. et al., Buffer-gas cooling of antiprotonic helium to 1.5 to 1.7 K, and antiproton-to-electron mass ratio, Science (4 november 2016), DOI:10.1126/science.aaf6702
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 november 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE