Een laser heeft antiwaterstofatomen afgekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt. Het is voor het eerst dat deze techniek is toegepast op antimaterie.
Met de ijskoude anti-atomen kunnen natuurkundigen interessante precisiemetingen doen. Zo kunnen ze bijvoorbeeld kijken of het antispul omhoog of gewoon omlaag valt.
Het Zwitserse deeltjesinstituut CERN maakt antimaterie door een bundel versnelde protonen op een blok metaal te laten botsen. Een deeltjesvertrager remt de antideeltjes die hierbij ontstaan af, zodat ze gevangen kunnen worden in een buis met magneetvelden die de deeltjes op hun plek houden. Op deze manier kunnen op CERN duizenden antideeltjes urenlang bewaard worden voor onderzoek.
Antiwaterstofatomen
Antimaterie is de tegenhanger van de materie waar alles om ons heen uit bestaat. Tegenover het ‘gewone’ elektron staat bijvoorbeeld het anti-elektron (ook wel positron), dat net zo zwaar is, maar een positieve lading heeft in plaats van een negatieve. Het positief geladen proton, dat in elke atoomkern huist, heeft het antiproton met een negatieve lading.
In het ALPHA-experiment in de antimateriefabriek van CERN voegen fysici antiprotonen samen met anti-elektronen tot antiwaterstofatomen. Die anti-atomen vangen ze vervolgens in een vacuüm magneetval. Het vacuüm en de magneetvelden zijn nodig om te voorkomen dat de antiatomen botsen met gewone materie. Daarbij vernietigen ze elkaar namelijk en blijft er enkel een plofje energie over. Een gegeven waar gretig gebruik van gemaakt wordt in sciencefiction. Neem bijvoorbeeld de materie-antimateriereactor waarmee het ruimteschip Enterprise in Star Trek sneller dan het licht reist. Of het buisje antimaterie waarmee illuminaten het Vaticaan willen opblazen in de thriller Het Bernini Mysterie van Dan Brown.
Omhoog vallen
‘Onze gevangen antiatomen zijn al behoorlijk koud, ongeveer -272.65°C’, zegt Jeffrey Hangst, woordvoerder van het ALPHA-experiment. Dat is een halve graad boven het absolute nulpunt van −273,15°C. ‘Maar die temperatuur is nog steeds te hoog voor het onderzoek dat we willen doen.’
Het doel van de ALPHA-onderzoekers is om antiwaterstof te vergelijken met gewone waterstof. ‘We kijken bijvoorbeeld wat er gebeurt als je anti-atomen laat vallen’, zegt Hangst. ‘De sciencefictionmensen zouden het leuk vinden als antimaterie omhoog blijkt te vallen. Maar de meeste theoretici denken dat het, net als gewone materie, omlaag valt. Maar het is nog nooit getest. Daarom hebben we er een experiment voor gebouwd.’ Voor dit experiment is het belangrijk dat de anti-atomen koud zijn. Hoe kouder ze zijn, hoe minder ze bewegen en hoe beter je kunt meten hoe ze vallen.
Laserkoeling
De lasertechniek die de antiwaterstofatomen nu heeft afgekoeld, is al eerder gebruikt om gewone atomen af te koelen. Het werkt als volgt. De frequentie van het laserlicht wordt zo gekozen dat alleen de anti-atomen die naar de laserstraal toe bewegen lichtdeeltjes uit het laserlicht absorberen, waarna ze terugvallen naar hun grondtoestand. Hierbij krijgen ze een zetje in de richting die tegengesteld is aan de richting waarin ze bewegen. Hierdoor vertragen de anti-atomen en koelen ze af.
‘Laserkoeling bij anti-atomen is complexer dan bij atomen’, zegt Hangst. Niet alleen omdat het een behoorlijke klus is om anti-atomen te maken en te vangen, maar ook omdat er een speciale uv-laser voor nodig is. Die moet speciaal gebouwd worden en omdat dit licht niet door lucht heen komt, moet het experiment in een vacuüm plaatsvinden.
In hun experiment gebruikten de fysici een pulserende uv-laser om de antiwaterstofatomen af te koelen. ‘We moesten hiermee urenlang op de antiwaterstofatomen schijnen om ze af te koelen’, zegt Hangst. ‘Normaal gesproken is laserkoeling een snel proces, maar vanwege de complexe laser duurde het uren.’
Maar het loonde om geduldig te zijn. De antiatomen bereikten een temperatuur van −273,10°C, een fractie boven een absolute nulpunt. ‘Deze mijlpaal betekent dat niets ons meer tegenhoudt om alle metingen met waterstofatomen ook – en even nauwkeurig – te doen met antiwaterstof’, zegt Hangst. En dat is precies wat de onderzoekers van plan zijn; zodra de LHC deze zomer weer opstart en de antimaterieproductie weer door kan gaan.