Het is een fundamentele natuurwet die zelfs de meest fervente wetenschapsfoob kan definiëren:materie valt naar beneden onder de zwaartekracht. Maar hoe zit het met antimaterie, die dezelfde massa heeft maar tegengestelde elektrische lading en spin? Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein, zwaartekracht moet materie en antimaterie identiek behandelen. Het vinden van zelfs maar het kleinste verschil in hun vrije-valpercentage zou daarom leiden tot een revolutie in ons begrip. Terwijl de vrije val van materie is gemeten met een nauwkeurigheid van ongeveer één deel op 100 biljoen, er is nog geen directe meting voor antimaterie uitgevoerd vanwege de moeilijkheid om grote hoeveelheden ervan te produceren en te bevatten.

In een paper onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Communicatie Natuurkunde , de AEGIS-samenwerking bij CERN's Antiproton Decelerator (AD) meldt een belangrijke mijlpaal in de richting van dit doel. Met behulp van nieuwe technieken ontwikkeld in 2018, het team demonstreerde gepulseerde productie van antiwaterstofatomen, waarmee het tijdstip waarop de anti-atomen worden gevormd met hoge nauwkeurigheid kan worden vastgepind.

"Dit is de eerste keer dat gepulseerde vorming van antiwaterstof is vastgesteld op tijdschalen die de deur openen voor gelijktijdige manipulatie, door lasers of externe velden, van de gevormde atomen, evenals de mogelijkheid om dezelfde methode toe te passen op gepulseerde vorming van andere antiprotonische atomen, ", zegt AEGIS-woordvoerder Michael Doser van CERN. "Het moment van vorming van antiwaterstof kennen is een krachtig hulpmiddel."

CERN is de enige plek ter wereld waar antiwaterstof in detail kan worden geproduceerd en bestudeerd. Antiwaterstof is een ideaal systeem om de vrije val door zwaartekracht en andere fundamentele eigenschappen van antimaterie te testen, omdat het een lange levensduur heeft en elektrisch neutraal is. De eerste productie van energiezuinige antiwaterstof, gerapporteerd in 2002 door de samenwerkingen ATHENA en ATRAP bij het AD, omvatte de "drielichamen" recombinatie van wolken van antiprotonen en positronen. Vanaf dat moment, gestage vooruitgang door de ALPHA-samenwerking van het AD bij het produceren, door steeds grotere hoeveelheden antiwaterstof te manipuleren en op te vangen, konden spectroscopische en andere eigenschappen van antimaterie tot in de kleinste details worden bepaald.

Terwijl recombinatie van drie lichamen resulteert in een bijna continue antiwaterstofbron, waarin het niet mogelijk is om de tijd van de antiatoomvorming te markeren, AEGIS heeft een alternatief "ladingsuitwisseling"-proces gebruikt waarbij de vorming van antiwaterstofatomen wordt geactiveerd door een nauwkeurige laserpuls. Hiermee kan het tijdstip worden bepaald waarop 90% van de atomen wordt geproduceerd met een onzekerheid van ongeveer 100 ns.

Er zijn nog verschillende stappen nodig voordat AEGIS de invloed van zwaartekracht op antimaterie kan meten, inclusief de vorming van een gepulseerde straal, grotere hoeveelheden antiwaterstof, en het vermogen om het kouder te maken. "Met slechts drie maanden straaltijd dit jaar, en veel nieuwe apparatuur om in gebruik te nemen, hoogstwaarschijnlijk zal 2022 het jaar zijn waarin we pulserende bundelvorming vaststellen, wat voor ons een voorwaarde is om een ​​zwaartekrachtmeting uit te voeren, ", legt Doser uit.

Na een proof-of-principle meting door de ALPHA-samenwerking in 2013 ALFA, AEGIS en een derde AD-experiment genaamd GBAR zijn allemaal van plan om de komende jaren de vrije val van anti-atomen op het niveau van 1% te meten. Elk gebruikt verschillende technieken, en alle drie zijn onlangs aangesloten op de nieuwe ELENA synchrotron, die de productie van zeer laagenergetische antiprotonen mogelijk maakt.

Aangezien het grootste deel van de massa van antinucleï afkomstig is van de sterke kracht die quarks aan elkaar bindt, natuurkundigen denken dat het onwaarschijnlijk is dat antimaterie een zwaartekracht ervaart die tegengesteld is aan materie. Hoe dan ook, nauwkeurige metingen van de vrije val van anti-atomen zouden subtiele verschillen kunnen onthullen die een belangrijke scheur in ons huidige begrip zouden openen.