Als je een stapel antimaterie zou laten vallen, zou deze dan naar boven of naar beneden vallen?

Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat antimaterie in het zwaartekrachtveld van de aarde zou vallen, en dit is wat de meeste natuurkundigen zouden verwachten als het resultaat zou zijn. Maar ondanks dat dit onze beste beschrijving van de zwaartekracht is, weten we dat er hiaten in ons begrip zitten. In feite voorspelt de theorie van Einstein zijn eigen falen bij extremen zoals ruimtetijd-singulariteiten in zwarte gaten.

Er wordt ook gespeculeerd of het tegenovergestelde waar zou kunnen zijn. We kunnen de uitdijing en geometrie van het universum niet verklaren met wat we weten over de zwaartekracht, tenzij er enorme hoeveelheden massa zijn die we niet kunnen zien. We leggen dit uit aan de hand van de concepten van donkere energie en donkere materie die interageren met de zwaartekracht en het heldere universum vormgeven. Deze krachten zijn mysterieus en er is nog veel dat we niet hebben ontdekt.

Een intrigerende mogelijkheid is dat antimaterie zich anders kan gedragen dan materie als het om de zwaartekracht gaat, en dat materie en antimaterie elkaar zelfs kunnen afstoten. Dat zou de vorm en uitdijing van het heelal kunnen helpen verklaren zonder het bestaan van donkere energie.

Maar niets is echt bekend totdat het is waargenomen. En het is heel moeilijk om antimaterie waar te nemen, want zodra het in botsing komt met normale materie, worden beide vernietigd.

De ALPHA-samenwerking is een internationaal team dat is opgericht om het gedrag en de eigenschappen van antimaterie te onderzoeken. De resultaten van hun eerste test met antimaterie in vrije val zijn deze week gepubliceerd in Nature.

De studie maakte deel uit van een internationale inspanning van de ALPHA-samenwerking, waarbij auteurs van verschillende Canadese instellingen betrokken waren:TRIUMF, de University of British Columbia, York University, de University of Calgary, Simon Fraser University en het British Columbia Institute of Technology.

Voor hun onderzoek moesten ze antiwaterstof maken om waar te nemen, omdat dit het kleinste neutrale atoom is dat gemaakt kan worden. De zwaartekracht is de zwakste van de vier bekende krachten die op massa inwerken, en dus zouden elektrische ladingen het onmogelijk maken om de effecten van de zwaartekracht waar te nemen.

Zoals ze eerder hebben gedaan, maakten ze door radioactief verval antiprotonen in een deeltjesversneller en anti-elektronen (positronen). Deze worden eerst afzonderlijk vastgehouden en dankzij hun lading kunnen ze relatief gemakkelijk in een bijna perfect vacuüm worden opgesloten, waardoor ze met behulp van elektrische velden uit de buurt van materie worden gehouden. Als ze klaar zijn, duwen de ALPHA-onderzoekers de twee samen om energiezuinige anti-waterstofatomen te creëren.

Eenmaal gecombineerd is het resulterende anti-waterstof ladingsneutraal en kunnen de elektrische velden ze niet langer vasthouden. Hoewel het grootste deel van de anti-waterstof de wanden van de val zal raken en vernietigd zal worden, profiteren sterke elektromagneten van de zwakke magnetische eigenschappen van anti-waterstof om de rest vast te houden. Voor dit onderzoek heeft het team een verticale val van enkele meters hoog gebouwd om de anti-waterstof vast te houden.

In de val pakte het team hun stapel anti-waterstofatomen en liet ze langzaam los, waarbij ze geleidelijk de stroom in hun elektromagneten op een gesynchroniseerde en symmetrische manier afbouwden, zodat de anti-waterstof vrij zou zijn om van boven of van onderen te ontsnappen. De posities van de daaropvolgende vernietigingsgebeurtenissen konden vervolgens worden gemeten om te zien of ze omhoog of omlaag vielen.

De waargenomen anti-waterstof is nog steeds energetisch genoeg om te verwachten dat sommige ervan in elke richting zullen vliegen. Zelfs stapels gewone waterstof zouden naar verwachting een verdeling onder invloed van de zwaartekracht hebben, waarbij ongeveer 20 procent van de atomen bovenaan komt en de rest onderaan valt. Daarom werden de resultaten vergeleken met simulaties voor waterstof onder dezelfde omstandigheden.

Maar we weten ook dat magnetische velden, die het team ook gebruikte als onderdeel van het ontwerp van de anti-waterstofval, hun beweging beïnvloeden. Om de effecten van eventuele magnetische interferentie tegen te gaan, herhaalden ze dezelfde test met een magnetische kracht van verschillende sterktes in beide richtingen.

Onder alle geteste omstandigheden gedroeg de anti-waterstof zich in een patroon dat vergelijkbaar is met de resultaten die voor gewone waterstof zijn gesimuleerd:de neiging om onder invloed van de zwaartekracht naar beneden te vallen, net als normale materie.

De waargenomen kracht werd berekend op basis van 75 procent van wat materie ervaart, met een fout van 29 procent die zou kunnen voortkomen uit statistische, systematische of simulatiebronnen.

Hoewel de overeenkomst met de gesimuleerde waarden niet perfect was, komt het bewijsmateriaal overeen met een aantrekkende zwaartekracht en sluit het de mogelijkheid uit van een afstotende kracht tussen materie en antimaterie.

De volgende stappen omvatten het aanbrengen van lagen op technieken zoals laserkoeling om de anti-waterstof verder te vertragen om nog nauwkeurigere metingen te kunnen doen in toekomstige studies. Hierdoor kan het team de exacte versnellingssnelheid beter meten en ontdekken of de zwaartekracht hetzelfde is voor antimaterie als voor materie.

Dit is een spannend moment in de deeltjesfysica dat ons inzicht geeft in de aard van het universum.