Je leest:

Experimenteren met ongrijpbare antimateriedeeltjes

Experimenteren met ongrijpbare antimateriedeeltjes

Op bezoek bij de antimateriefabriek van CERN

Auteur: | 20 februari 2020

De wereld bestaat uit materie en niet uit antimaterie, elementaire deeltjes met precies een tegengestelde lading. Hoe komt dat? In de antimateriefabriek van het deeltjeslab CERN leggen onderzoekers het vergankelijke goedje onder de loep. Binnenkort testen ze of antimaterie wel omlaag valt.

De zogenoemde antimateriefabriek van het Europese deeltjeslaboratorium CERN.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Met grote letters prijkt er ‘Antimatter Factory’ op de grijze loods op het terrein van het Europese deeltjeslaboratorium CERN op de grens van Frankrijk en Zwitserland. Een fabriek voor antimaterie. Die term is bedacht met gevoel voor public relations. Want inderdaad, hier wordt antimaterie gemaakt, maar niet per se in een ‘fabriekshoeveelheid’. Op volle capaciteit maakt de fabriek 500.000 antiprotonen per seconden; dat is 0,000.000.000.000.000.000.84 gram. Het produceren van één gram antimaterie duurt in dat tempo veertig miljard jaar, bijna drie keer de leeftijd van het universum.

Veel mensen kennen CERN van het Higgsboson dat er in 2012 werd ontdekt door protonen zo hard mogelijk op elkaar te botsen en de brokstukken te analyseren. Richt die bundel van protonen op een stukje iridium en uit de botsingen met de iridium-atomen ontstaat antimaterie. Zo’n 0,0003 procent van de materie wordt zo ‘omgezet’ in antimaterie.

Voor menselijke begrippen is het een minuscule hoeveelheid, maar het is ruim voldoende voor de experimenten in de fabriek waar ik binnenstap. Geen meter van de volle hal lijkt onbenut. Tussen betonblokken, gele loopbruggen en trapjes zie ik metalen buizen en vaten. Dat zijn de proefopstellingen die de lading en de massa van één antimateriedeeltje kunnen bepalen. Of die atomen maken die bestaan uit zowel materie als antimaterie. Of die het vallen van een enkel antimaterieatoom volgen. Zo hopen wetenschappers de eigenschappen van antimaterie zo precies mogelijk te bepalen en die ene vraag te beantwoorden: waarom bestaat de wereld uit materie?

Een impressie van de antimateriefabriek op het terrein van CERN.

Een nieuwe klasse van materie

De Britse natuurkundige Paul Dirac probeerde in 1928 het gedrag van elementaire deeltjes te beschrijven met de toen nog relatief nieuwe theorie van de quantummechanica. Hij gebruikte een vergelijking met een kwadraat, waarvoor wiskundig een positieve en negatieve oplossing bestaat. Dirac realiseerde zich dat de negatieve oplossing een mogelijke nieuwe klasse van deeltjes beschreef. Hij had op papier het positron (het antideeltje van het negatieve elektron) ontdekt, dat vier jaar later daadwerkelijk werd gedetecteerd. Later werden ook de antideeltjes van het proton en neutron ontdekt, het antiproton en antineutron.

In deeltjesbotsingen lijken er net zoveel deeltjes als antideeltjes te ontstaan, die op papier alleen verschillen door een precies tegenovergestelde lading en magnetisch moment. Andere eigenschappen zoals de massa zijn (waarschijnlijk) precies hetzelfde. Antimateriedeeltjes zijn doorgaans geen lang leven beschoren, omdat ze bij aanraking met materie vernietigd worden (samen met het materiedeeltje).

Temmen van antimaterie

Als ik vanaf een platform op de experimenten in de hal neerkijk, ligt voor me een van de pronkstukken van de antimateriefabriek: de deeltjesversneller ELENA. Een soort zeshoekig parcours met een doorsnede van enkele meters, waarvan sommige stukken zijn ingepakt in aluminiumfolie. Op de hoeken zitten blauwe apparaten, daartussen oranje schijven. Overal steken draden uit. Versneller is overigens niet het goede woord, ELENA doet precies het tegenovergestelde. Het apparaat vertraagt de antiprotonen tot 0,1 megaelektronvolt (een veelgebruikte energiemaat voor deeltjes), ofwel een procent van de lichtsnelheid.

Deeltjesvertrager ELENA in de antimateriefabriek van CERN. Deze remt antiprotonen uit een grotere vertrager verder af zodat ze geschikt zijn voor experimenten in de fabriek.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

De relatief lage energie is essentieel voor de experimenten in deze hal, waarbij antiprotonen in relatieve rust worden bestudeerd. Dat is lastig, want de antiprotonen worden gemaakt uit botsingen met een behoorlijke energie van 26 gigaelektronvolt. Om ze vervolgens tot rust te brengen is de cirkelvormige Antiproton Decelerator nodig die door de hele hal loopt. Deze vertraagt de deeltjes tot 5,3 megaelektronvolt en voedt ze dan aan ELENA voor een verdere vertraging.

Een van de experimenten in de antimateriefabriek is BASE, het Baryon Antibaryon Symmetry Experiment. Hiermee bepalen onderzoekers onder andere of het antiproton een andere lading of massa heeft dan het proton. Elise Wursten is postdoc-onderzoeker en legt uit hoe ze magnetische en elektrische velden gebruiken om antiprotonen in een zogenoemde Penningval te vangen, een soort lange metalen cilinder met een diameter van een centimeter. Bij aanraking met materie is de antimaterie weg, dus is de cilinder vacuüm en draait het antiproton door het magneetveld kleine cirkeltjes met een diameter van slechts enkele micrometers. Ze komen nooit in de buurt van de wand. “We hebben een record waarbij we een antiproton 405 dagen lang vast hebben gehouden”, zegt Wursten.

Het antiproton is geladen en veroorzaakt zo een minuscuul stroompje in elektrodes van de val, waardoor de cirkelvormige beweging van het deeltje meetbaar wordt. “Wij ‘luisteren’ als het ware naar het antiproton dat een heel specifieke stroomfrequentie genereert. Dat is een subtiel effect. We meten een stroom van ongeveer een femtoampère (0,000.000.000.000.001 ampère – red.)”, zegt Wursten. “De hoogte van de frequentie is verbonden aan zowel de massa als de lading van het antiproton. Wij bepalen zo de verhouding tussen die twee en leggen die naast metingen aan een samengesteld deeltje met een proton in dezelfde opstelling.”

Schematische weergave van hoe een antiproton (rood) is ‘gevangen’ voor een meting in het BASE-experiment van CERN. Magnetische en elektrische velden houden het op zijn plek in deze zogenoemde Penningval. Onderzoekers vergelijken de eigenschappen met een gewoon materiedeeltje (een waterstof-ion, in groen). In paars aangegeven is een ‘reservoir’ om (anti-)deeltjes in te bewaren, dat kan worden aangevuld door een verbinding met de deeltjesversneller links.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica eist dat deze massa-lading-verhouding in het antiproton hetzelfde is als in het proton (behalve dat deze negatief is, zie kader). Vooralsnog laat dit experiment zien dat materie en antimaterie inderdaad gebroederlijk optrekken wat betreft hun kenmerken. De hierboven genoemde verhouding lijkt niet meer te verschillen dan een tienmiljardste deel. Het magnetische moment van de deeltjes dat BASE ook meet is hetzelfde (maar wederom negatief) tot op bijna een miljardste deel.

Omdat het venijn juist in de details kan schuilen, willen de onderzoekers nóg preciezer meten: zijn er wellicht toch verschillen? Volgens Wursten kan BASE ongeveer een factor tien preciezer meten, onder andere door een betere afscherming van storende magneetvelden. “Wij hebben last van de sterke magneten van de Antiproton Decelerator op een afstand van zo’n tien meter, en zelfs de positie van de grote bewegende kraan op het plafond zien we terug in onze metingen”, zegt Wursten. “We treffen nu al voorbereidingen voor het vervolgexperiment BASE STEP dat we verderop in een andere hal opbouwen. Het is de bedoeling dat we antiprotonen uit deze fabriek met een speciale installatie in een vrachtwagen vervoeren over het terrein van CERN.”

Een antimateriebom

In het boek Het Bernini Mysterie van Dan Brown (in 2009 verfilmd als Angels & Demons) wordt een ‘druppel’ antimaterie gestolen uit een laboratorium van CERN. De dader dreigt dit als bom in te zetten door de druppel in aanraking te brengen met materie, waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt. De hoeveelheid antimaterie die op deze manier evenveel energie produceert als de atoombom op Hiroshima (67 terajoule) is 0,4 gram. De antimateriefabriek van CERN zou daar ongeveer zestien miljard jaar over doen.

Valt antimaterie omlaag?

Naast lading en massa zijn de onderzoekers ook geïnteresseerd in de invloed van zwaartekracht op antimaterie. Bestaande deeltjestheorieën eisen dat antimaterie naar beneden valt, net als materie. Maar niemand heeft dit ooit experimenteel bevestigd. Gezien het vluchtige (of het explosieve) karakter van antimaterie is een klassiek valexperiment uitgesloten – zoals bijvoorbeeld de Vlaamse natuurkundige Simon Stevin in 1586 met verschillende gewichten van de kerktoren in Delft deed. Toch gaan wetenschappers iets vergelijkbaars doen in de antimateriefabriek. Ze gebruiken geen kerktoren maar een vacuümvat, en geen loden ballen maar een enkel antimaterie-atoom.

Het GBAR-experiment (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) bestaat uit een reeks lastige experimentele stappen. Natuurkundeprofessor Dirk van der Werf van de Britse Swansea University is betrokken bij het experiment en legt uit hoe het in zijn werk gaat. Als het antiproton is geproduceerd en gevangen, wordt het gecombineerd met twee positronium-deeltjes (bestaande uit een positron en een elektron). Zo ontstaat een positief geladen antimaterie-ion (een antiproton met twee positronen) dat elektrische velden op zijn plek houdt. Na afkoeling met een laser tot een temperatuur van zo’n twintig microkelvin, vlak boven het absolute nulpunt, is het deeltje klaar om te vallen.

Met een laser schieten de onderzoekers een positron van het ion af. Het overgebleven neutrale anti-waterstof wordt niet meer vastgehouden door het elektrische veld en begint te vallen. ‘Als de waarden hetzelfde zijn als voor materie dan komt het anti-atoom na ongeveer zes milliseconde beneden aan’, laat Van der Werf per e-mail weten. ‘Daar annihileert (vernietigt – red.) het met materiedeeltjes van de wand van de vacuümkamer. Dit levert een aantal detecteerbare pion-deeltjes op. Zo bepalen we de plaats en tijd van aankomst, waaruit de valversnelling van het antimaterie volgt.’

GBAR werd in 2018 aangesloten op de antimaterieversneller, maar er zijn nog geen resultaten. Van der Werf laat weten dat de aanvoer van antiprotonen nog niet stabiel genoeg was en dat ook de productie van positroniumdeeltjes uitdagend is. In de loop van 2021 gaat het experiment weer van start, samen met de Large Hadron Collider, die momenteel stilligt voor onderhoud en verbeteringen.

GBAR moet de valversnelling in eerste instantie bepalen tot op enkele procenten precies (ten opzichte van de valversnelling van normale materie). Later moet de precisie van het experiment nog zo’n honderd keer beter worden.

Tot nu toe moeten onderzoekers het doen met de resultaten van het zogenoemde ALPHA-experiment (ook in de antimateriefabriek) dat in 2013 bepaalde dat de zwaartekracht op antimaterie niet méér dan 110 keer die op normale materie is, en niet minder dan -65 keer. Experimenteel gezien is het dus nog niet uitgesloten dat antimaterie omhóóg valt, of juist heel hard omlaag. De meeste wetenschappers op CERN verwachten dat antimaterie hetzelfde doet als materie. Zo niet dan worden de poten onder de bestaande deeltjestheorieën weggezaagd.

Universum van materie

Met experimenten als BASE en GBAR controleren wetenschappers of antimaterie de eigenschappen heeft die de theorie aan de deeltjes toekent. Maar er is een dieper wetenschappelijk vraagstuk. Het universum dat we waarnemen bestaat volledig uit materie en niet uit antimaterie. Terwijl er in productieprocessen (zoals in de antimateriefabriek van CERN) altijd evenveel van beide ontstaat. Als de productie en de eigenschappen identiek zijn, waarom hebben we een universum van materie? Waar is de antimaterie gebleven?

Het Andromeda-sterrenstelsel: er lijkt vrijwel geen antimaterie (meer) in het universum te bestaan. Als materie en antimaterie met elkaar in aanraking komen ontstaat er licht. Er zijn zo’n miljard keer meer licht- dan materiedeeltjes in het universum. Dit suggereert dat er in de ‘begintoestand’ van het universum tegenover 1.000.000.000 antimateriedeeltjes, 1.000.000.001 materiedeeltjes zijn geweest.

Uitgelicht door de redactie

Geneeskunde
Verkouden kinderen in de klas, is dat verstandig?

Neurowetenschappen
Vertraging op de lijn

Biologie
De maakbaarheid van ongeboren leven in 2039

“In de antimateriefabriek, maar ook in het LHCb-experiment proberen we processen te ontdekken die het verschil kunnen verklaren”, zegt Niels Tuning, natuurkundige die betrokken is bij het LHCb-experiment. “Het is op dit moment moeilijk te zeggen wat dat is of zelfs waar we naar op zoek zijn. In ons experiment zien we kleine verschillen in de mate waarin antimaterie en materie naar bepaalde deeltjes vervallen.”

“De huidige strategie is het zo precies als we kunnen naar verschillen tussen materie en antimaterie zoeken. Misschien komen we zo op het spoor van een nieuwe kracht of nieuwe deeltjes die zorgden voor het materie-universum dat we nu zien”, zegt Tuning.

Wursten van het BASE-experiment is op zoek naar het antwoord door ook naar andere open vraagstukken in de natuurkunde te kijken. “Kan de overvloed van materie iets met donkere materie of donkere energie te maken hebben?”, vraagt ze zich af. “Misschien reageert antimaterie wel anders met donkere materie. Wij hebben met het BASE-experiment recent de eerste limiet gezet op die mogelijke interactie. De definitieve verklaring laat waarschijnlijk nog veel langer op zich wachten.”

Als we vanuit de antimateriefabriek weer naar buiten lopen staan we in de zon tussen de gebouwen op het CERN-terrein, die bijna een stad op zich vormen. Waar de meeste experimenten hier deeltjes opzwepen tot gigantische energieën om ze te laten botsen, volgen wetenschappers in dit lab een andere strategie voor de tegendraadse antimaterie: deze hal staat vol met vertragers. Antimaterie moet zijn geheimen in alle rust prijsgeven.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 februari 2020

Discussieer mee

0

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

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.