Exotisch antimaterie-atoom is ideale proeftuin voor nieuwe fysica

Een van die exoten is het zogenoemde antiprotonisch helium, een deeltje dat lijkt op een helium-atoom, maar waarbij een van de twee elektronen is vervangen door een antiproton, een antimateriedeeltje (zie kader). Dat is bijzonder want antimaterie en materie kunnen elkaar niet luchten of zien; ze vernietigen elkaar bij aanraking. Toch kunnen wetenschappers ze samen een fractie van een seconde in een atoom stoppen en lasermetingen doen.

Natuurkundigen hebben nu deze lastige exercitie uitgebreid met een extra stap: het extreem koelen van het atoom. Daarbij gingen de onderzoekers als volgt te werk: het exotische materie-antimaterie-atoom werd in de microseconden dat het bestaat gekoeld tot slechts anderhalve graad boven het absolute nulpunt. Vervolgens werd er een laserexperiment gedaan.

De CERN-onderzoekers konden door de lage temperatuur de massa van het antiproton met een grotere precisie dan ooit bepalen. Dat is belangrijk want volgens het standaardmodel moet deze precies even zwaar zijn als het proton, een afwijking zou betekenen dat er nog onbekende mechanismen aan het werk zijn. Misschien wel een nieuwe natuurkracht. Het onderzoek is deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Science gepubliceerd.

Testbank

Met het laserexperiment gingen natuurkundige Masaki Hori van het Duitse Max Planck Institut für Quantenoptik en collega’s op zoek naar zogenoemde energie-overgangen in het antiprotonisch helium. Het exotische atoom absorbeert hierbij een lichtdeeltje en zendt er vervolgens weer een uit. De hoeveelheid energie van deze fotonen is een maat voor een aantal fundamentele eigenschappen, zoals de massa’s van de deeltjes in het atoom.

Die massabepaling is belangrijk, want de deeltjesfysica drijft zoals gezegd op de aanname dat het antiproton precies evenveel weegt en precies de tegenovergestelde lading heeft als het proton. Tegelijkertijd dient het systeem als een extreem nauwkeurige testbank voor de quantumelektrodynamica, de vooralsnog meest complete theorie die het gedrag van deeltjes en licht beschrijft. Tot slot kunnen de energie-overgangen licht schijnen op het bestaan van een vermeende maar tot nu toe onbekende vijfde natuurkracht, die op extreem kleine schaal invloed heeft.

Schieten en vangen

Het antiprotonisch helium wordt gemaakt door een bundel van hoogenergetische protonen op een stuk iridium te schieten. Bij die botsingen ontstaan allerhande deeltjes, waaronder antiprotonen. Door zo’n antiproton vervolgens af te remmen met een tweede ‘versneller’ kan het in een heliumatoom worden opgenomen.

Om de precisie van de lasermetingen te vergroten, koelden Hori en collega’s zoals gezegd de atomen tot vlak boven het absolute nulpunt. Dat is knap, want de koeltechniek berust op interacties met een extreem koel gas waarmee het antiprotonisch helium botst: normaal gesproken zou dat het antiproton resoluut vernietigen. “Het mooie in dit atoom is dat het enige overgebleven elektron een soort beschermende schil vormt voor het antiproton dat zich dieper in het atoom bevindt”, zegt Wim Ubachs, professor Atoom-, Molecuul- en Laser Fysica van de Vrije Universiteit, die zelf vergelijkbare laserexperimenten met andere atomen doet.

“Dat dit met antiprotonisch helium kan is eigenlijk gewoon toeval, maar wel ontzettend handig voor experimentatoren”, zegt Ubachs. “Bovendien is het atoom relatief makkelijk met een laser door te lichten omdat de gezochte energie-overgangen precies in het zichtbare lichtspectrum liggen.”

Nieuwe fysica?

De natuurkundigen kunnen weer zacht gaan slapen, want het protonisch helium doet precies wat de theorieën voorspelden. Het antiproton weegt precies evenveel als een proton, ook houdt de quantumelektrodynamica stand en duiken er vooralsnog geen sporen op van een vijfde natuurkracht.

Maar hoe ver willen natuurkundigen eigenlijk nog gaan? Kunnen ze niet gewoon een keer áánnemen dat het proton en het antiproton precies evenveel wegen? Volgens Ubachs zullen natuurkundigen altijd preciezere metingen nastreven. “Neem de zogenoemde Lamb shift, een verschil tussen twee energieniveau’s van het waterstofatoom dat volgens de toenmalige theorie niet zou bestaan. Natuurkundige Willis Lamb liet met een experiment zien dat er wel degelijk een klein verschil was. Hij ontdekte daarmee de wisselwerking van het atoom met het vacuüm.”

“Er is momenteel een wereldwijde race gaande waarbij natuurkundigen met lasers naar de kleinste afwijkingen in het gedrag van atomen speuren”, vervolgt Ubachs. “Wij kijken in ons laboratorium niet naar antimaterie, maar naar gewone materie. Dit is mogelijk sinds 2005, toen lasers opkwamen die door een koppeling met een atoomklok extreem precies afgestemd zijn. Het lukt nu steeds beter om die experimenten uit te breiden, zoals met het koelen dat Hori en collega’s nu doen. De wetten van de fysica worden zo steeds nauwkeuriger getest.”