Natuurkundigen vangen enkel antimateriedeeltje voor een maand

Je kunt antimaterie niet in je hand houden, noch in een gewoon laboratoriumapparaat. Zodra antimaterie in contact komt met materie, hebben de twee de neiging elkaar te annihileren. Dit maakt het bestuderen van antimaterie lastig. Natuurkundigen zijn er nu echter in geslaagd om een enkel subatomair deeltje van deze materie maandenlang gevangen te houden, op een manier die het mogelijk maakt om de quantumtoestanden ervan te bestuderen.

Verdere onderzoeken met behulp van deze val zouden het geheim kunnen onthullen van waarom de wereld om ons heen is opgebouwd uit materie en niet uit antimaterie, terwijl het in theorie beide kanten op had kunnen gaan.

Het proces van vangst

Elk normaal materiedeeltje heeft een antimaterie-tegenhanger met een gelijke massa maar een tegengestelde lading. Om hun val te bouwen, begonnen de natuurkundigen met atomen van natrium-22, een radioactieve isotoop met een halfwaardetijd van ongeveer twee en een half jaar. Wanneer een van deze atomen vervalt, zendt het een positron uit—de antimaterie-tegenhanger van het elektron.

"De grote uitdaging is om deze positronen te overtuigen te vertragen en ze vervolgens te vangen," zegt Gerald Gabrielse, een natuurkundige aan Northwestern University die het project leidde. Het team rapporteerde hun prestatie op woensdag in Physical Review Letters.

De eerste stap is om de positronen door het kristalrooster van een splinter koud wolfraam te sturen. Terwijl de deeltjes als een soort flipperbal door het materiaal bewegen, vertragen ze en verliezen ze energie. "Elke keer dat ze ergens tegenaan botsen, is er een kans op annihilatie, maar dat gebeurt niet altijd," zegt Gabrielse. "Als ze het einde bereiken, worden ze eruit gepopt."

Vervolgens sturen de natuurkundigen de positronen via een kanaal met behulp van elektromagnetische velden. Uiteindelijk belanden de deeltjes in een vacuüm, slechts drie tiende van een graad Celsius boven het absolute nulpunt, gevangen door een elektrisch veld aan de boven- en onderkant en een magnetisch veld aan de zijkanten. "Als je antimaterie wilt vasthouden, moet je het in een container zonder wanden bewaren," aldus Gabrielse.

Deze methode stelde de onderzoekers in staat om een solitair positron een maand lang te isoleren en te bestuderen—en zou hen in staat kunnen stellen dit onbepaald voort te zetten.

Het doel: Het magnetisch moment meten

De onderzoekers zijn van plan hun val te gebruiken om nauwkeurige metingen te doen van het magnetisch moment van het positron—in feite de sterkte en oriëntatie van het magnetische veld ervan. Om dit te doen, moeten ze twee zaken bepalen:

• De energie die nodig is om de richting van de spin van het positron te kantelen.
• De energie die nodig is om het deeltje te laten springen van zijn grondtoestand naar zijn eerste aangeslagen toestand.

Met een soortgelijke valopstelling hebben Gabrielse en zijn team al het magnetisch moment van een elektron gemeten met een precisie van één deel op 10 biljoen. Het uitvoeren van dezelfde meting voor een positron stelt hen in staat om een cruciale vergelijking te maken. "We willen zien of ze een exact tegenovergesteld magnetisch moment hebben," zegt Gabrielse. Dat is de voorspelling van het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Als de twee echter verschillende waarden hebben, zou dit kunnen helpen verklaren waarom ons universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie.

De discrepantie tussen materie en antimaterie

Wetenschappers denken dat er vlak na de Big Bang ruwweg gelijke hoeveelheden van beide waren. Het grootste deel van de materie en antimaterie moet zijn geannihileerd, maar er bleef op een bepaalde manier een klein overschot aan materie over om de sterren en planeten te vormen die we nu zien. De meting van het magnetisch moment is slechts een van de vele gebieden waar natuurkundigen zoeken naar verschillen tussen materie en antimaterie om deze fundamentele discrepantie te verklaren.

"Vervang elk deeltje door zijn antideeltje, bekijk de natuurkunde door een spiegel (waarbij links en rechts worden omgewisseld) en druk op de 'terugspoelknop' om de stroom van de tijd om te keren," zegt Roni Harnik, een theoretisch natuurkundige aan het Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Ill., die niet betrokken was bij het project. "Onze meest fundamentele theorieën zeggen dat de natuurkunde dan hetzelfde blijft."

Als blijkt dat de zaken anders zijn—dat het positron bijvoorbeeld een ander magnetisch moment heeft dan het elektron—dan hebben we een aanwijzing over hoe materie heeft gewonnen.

"Dit is een spannende ontwikkeling," zegt Harnik, "die ons in staat zal stellen om een fundamentele symmetrie te testen."