Natuurkundigen geloven sinds de jaren dertig dat het universum uit zowel materie als antimaterie bestaat. Hoewel we ons goed bewust zijn van wat de fysieke materie is, antimaterie is een ongrijpbare substantie gebleven.

Maar dat gaat veranderen:ons onlangs gepubliceerde onderzoek naar antiwaterstof - de antimaterie-tegenhanger van waterstof - luidt een nieuw tijdperk in in de poging om meer te begrijpen over antimaterie en hoe het ons heeft weten te ontwijken.

Dus wat is antimaterie? Aan het eind van de jaren twintig, Paul Dirac voorspelde het bestaan ​​van "spiegel"-deeltjes - tegengestelde tegenhangers van de reeds bekende elektronen en protonen. Deze spiegeldeeltjes hadden een tegengestelde lading, dus ze waren een positief elektron en een negatief proton - later positron en antiproton genoemd. Het positron werd een paar jaar later in 1932 ontdekt, maar het kostte wetenschappers tot 1955 om het antiproton te ontdekken.

De ontdekking was lastig omdat antimaterie niet veel voorkomt in het universum. In feite, het antiproton werd pas ontdekt omdat een deeltjesversneller speciaal werd gebouwd om ze te creëren.

Volgens de beroemde vergelijking van Einstein kan E=mc² massa worden omgezet in energie en vice versa. De versneller werkte door voldoende energie te leveren om antiprotonen te creëren door energie om te zetten in massa. Massa is een compacte houder van energie, maar normaal gesproken kan niet alles worden vrijgegeven - zelfs een nucleair wapen geeft slechts een klein deel van de energie van zijn massa vrij.

Wanneer een deeltje en zijn antideeltje bij elkaar worden gebracht, ze vernietigen elkaar - dat wil zeggen dat ze botsen en verdwijnen - en al hun massa-energie komt vrij in een uitbarsting van licht. Het tegenovergestelde is ook waar:met voldoende energie, we kunnen materie creëren, maar als vernietiging, dit proces is ook symmetrisch, dus materie en antimaterie zullen altijd in gelijke hoeveelheden worden gecreëerd.

Dit is het proces waardoor het eerste antiproton is gemaakt, en het is nog steeds wat we vandaag gebruiken. Maar het is ongelooflijk inefficiënt:in een typisch creatieproces bij de CERN antiprotonvertrager, ongeveer 1 m protonen botsen met een metalen doelwit om een ​​enkel antiproton op te leveren.

Waarom maakt het uit?

Natuurkundigen geloven dat het universum miljarden jaren geleden in de oerknal is ontstaan. en in het bijzonder dat het zo heet en klein begon dat er in het begin geen deeltjes konden worden gevormd. Terwijl deze oer-energiesoep afkoelde, deeltjes en antideeltjes gevormd in gelijke hoeveelheden. Maar minder dan een seconde na de oerknal, er gebeurde iets dat een asymmetrie veroorzaakte, een kleine overmaat aan materie achterlatend. Dus waar is alle antimaterie gebleven? We weten het gewoon niet - dit is een van de grootste mysteries van de natuurkunde.

Er is geen verklaring voor deze asymmetrie, in feite kunnen we niet uitleggen hoe we hier kunnen zijn, omdat deze asymmetrie nodig is voor het universum waarvan we weten dat het bestaat.

Ondanks vele levens van zorgvuldige observatie van de lucht, tot nu toe zijn er geen aanwijzingen gevonden waarom er zo'n asymmetrie is tussen materie en antimaterie. Veel wetenschappers hebben op verschillende manieren naar antimaterie gekeken, om te proberen te ontrafelen of er een fundamenteel verschil is tussen het en de materie die deze asymmetrie zou kunnen hebben veroorzaakt. De traditionele methode is om te kijken naar de resultaten van botsingen met hoge energie, bijvoorbeeld door gebruik te maken van de grote hadronenversneller bij CERN. Echter, hiervoor zoeken we nu een veelbelovend alternatief.

Waterstof is de meest voorkomende stof in het heelal en bestaat uit slechts één elektron en één proton. Het is eerlijk om te zeggen dat dit het best begrepen systeem in de natuurkunde is, zowel experimenteel als theoretisch. Het speelde ook een sleutelrol bij de ontdekkingen die leidden tot de kwantummechanica. De interne eigenschappen van waterstof zijn met verbluffende precisie bestudeerd met behulp van lasers, en het energieverschil tussen de grondtoestand en de eerste aangeslagen toestand - waar het overtollige energie heeft - is in detail bekend. Het is vergelijkbaar met een gitaarsnaar - de grondtoestand betekent dat de snaar niet trilt en een aangeslagen toestand betekent dat dit wel het geval is. Hoe meer het trilt, hoe enthousiaster het is.

Al meer dan 30 jaar, onderzoekers hebben gewerkt aan het ontrafelen van het mysterie van antimaterie met behulp van antiwaterstof, en we hebben zojuist een grote doorbraak bereikt.

Wat we zojuist hebben gedaan, is laserlicht op ingesloten antiwaterstofatomen te laten schijnen en ze tot hun eerste aangeslagen toestand te prikkelen. We kunnen hun gedrag bestuderen terwijl ze energie krijgen van het laserlicht (en opgewonden raken). Eventueel, ze breken uit elkaar - dat is hoe we konden zien dat ze de energie hadden geabsorbeerd.

Een van de redenen waarom het zo moeilijk is geweest om dit te doen, is dat antimaterie altijd wordt vernietigd wanneer het materie tegenkomt. Dit maakt het een uitdaging om te bewaren - je kunt het niet zomaar in een fles doen. Echter, we zijn er al in geslaagd om antiwaterstof te maken en vast te houden met behulp van een reeks elektromagneten die het kunnen beperken, waardoor we dit onderzoek konden doen.

Deze allereerste meting stelt ons in staat om waterstof en antiwaterstof met ongekende precisie te vergelijken – inderdaad, het is de meest nauwkeurige vergelijking van een atoom en een antiatoom die ooit is gemaakt.

Met behulp van deze meting, ze zien er identiek uit, en hoewel dat te verwachten was, het is de eerste experimentele bevestiging. Voor nu, het mysterie van de ongrijpbare antimaterie gaat door - maar het is iets dat we blijven nastreven.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.