Experimenteren met ongrijpbare antimateriedeeltjes

Voor menselijke begrippen is het een minuscule hoeveelheid, maar het is ruim voldoende voor de experimenten in de fabriek waar ik binnenstap. Geen meter van de volle hal lijkt onbenut. Tussen betonblokken, gele loopbruggen en trapjes zie ik metalen buizen en vaten. Dat zijn de proefopstellingen die de lading en de massa van één antimateriedeeltje kunnen bepalen. Of die atomen maken die bestaan uit zowel materie als antimaterie. Of die het vallen van een enkel antimaterieatoom volgen. Zo hopen wetenschappers de eigenschappen van antimaterie zo precies mogelijk te bepalen en die ene vraag te beantwoorden: waarom bestaat de wereld uit materie?

Het standaardmodel van de deeltjesfysica eist dat deze massa-lading-verhouding in het antiproton hetzelfde is als in het proton (behalve dat deze negatief is, zie kader). Vooralsnog laat dit experiment zien dat materie en antimaterie inderdaad gebroederlijk optrekken wat betreft hun kenmerken. De hierboven genoemde verhouding lijkt niet meer te verschillen dan een tienmiljardste deel. Het magnetische moment van de deeltjes dat BASE ook meet is hetzelfde (maar wederom negatief) tot op bijna een miljardste deel.

Omdat het venijn juist in de details kan schuilen, willen de onderzoekers nóg preciezer meten: zijn er wellicht toch verschillen? Volgens Wursten kan BASE ongeveer een factor tien preciezer meten, onder andere door een betere afscherming van storende magneetvelden. “Wij hebben last van de sterke magneten van de Antiproton Decelerator op een afstand van zo’n tien meter, en zelfs de positie van de grote bewegende kraan op het plafond zien we terug in onze metingen”, zegt Wursten. “We treffen nu al voorbereidingen voor het vervolgexperiment BASE STEP dat we verderop in een andere hal opbouwen. Het is de bedoeling dat we antiprotonen uit deze fabriek met een speciale installatie in een vrachtwagen vervoeren over het terrein van CERN.”

Het GBAR-experiment (Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest) bestaat uit een reeks lastige experimentele stappen. Natuurkundeprofessor Dirk van der Werf van de Britse Swansea University is betrokken bij het experiment en legt uit hoe het in zijn werk gaat. Als het antiproton is geproduceerd en gevangen, wordt het gecombineerd met twee positronium-deeltjes (bestaande uit een positron en een elektron). Zo ontstaat een positief geladen antimaterie-ion (een antiproton met twee positronen) dat elektrische velden op zijn plek houdt. Na afkoeling met een laser tot een temperatuur van zo’n twintig microkelvin, vlak boven het absolute nulpunt, is het deeltje klaar om te vallen.

Met een laser schieten de onderzoekers een positron van het ion af. Het overgebleven neutrale anti-waterstof wordt niet meer vastgehouden door het elektrische veld en begint te vallen. ‘Als de waarden hetzelfde zijn als voor materie dan komt het anti-atoom na ongeveer zes milliseconde beneden aan’, laat Van der Werf per e-mail weten. ‘Daar annihileert (vernietigt – red.) het met materiedeeltjes van de wand van de vacuümkamer. Dit levert een aantal detecteerbare pion-deeltjes op. Zo bepalen we de plaats en tijd van aankomst, waaruit de valversnelling van het antimaterie volgt.’

GBAR werd in 2018 aangesloten op de antimaterieversneller, maar er zijn nog geen resultaten. Van der Werf laat weten dat de aanvoer van antiprotonen nog niet stabiel genoeg was en dat ook de productie van positroniumdeeltjes uitdagend is. In de loop van 2021 gaat het experiment weer van start, samen met de Large Hadron Collider, die momenteel stilligt voor onderhoud en verbeteringen.

GBAR moet de valversnelling in eerste instantie bepalen tot op enkele procenten precies (ten opzichte van de valversnelling van normale materie). Later moet de precisie van het experiment nog zo’n honderd keer beter worden.

Tot nu toe moeten onderzoekers het doen met de resultaten van het zogenoemde ALPHA-experiment (ook in de antimateriefabriek) dat in 2013 bepaalde dat de zwaartekracht op antimaterie niet méér dan 110 keer die op normale materie is, en niet minder dan -65 keer. Experimenteel gezien is het dus nog niet uitgesloten dat antimaterie omhóóg valt, of juist heel hard omlaag. De meeste wetenschappers op CERN verwachten dat antimaterie hetzelfde doet als materie. Zo niet dan worden de poten onder de bestaande deeltjestheorieën weggezaagd.

Universum van materie

Met experimenten als BASE en GBAR controleren wetenschappers of antimaterie de eigenschappen heeft die de theorie aan de deeltjes toekent. Maar er is een dieper wetenschappelijk vraagstuk. Het universum dat we waarnemen bestaat volledig uit materie en niet uit antimaterie. Terwijl er in productieprocessen (zoals in de antimateriefabriek van CERN) altijd evenveel van beide ontstaat. Als de productie en de eigenschappen identiek zijn, waarom hebben we een universum van materie? Waar is de antimaterie gebleven?

“In de antimateriefabriek, maar ook in het LHCb-experiment proberen we processen te ontdekken die het verschil kunnen verklaren”, zegt Niels Tuning, natuurkundige die betrokken is bij het LHCb-experiment. “Het is op dit moment moeilijk te zeggen wat dat is of zelfs waar we naar op zoek zijn. In ons experiment zien we kleine verschillen in de mate waarin antimaterie en materie naar bepaalde deeltjes vervallen.”

“De huidige strategie is het zo precies als we kunnen naar verschillen tussen materie en antimaterie zoeken. Misschien komen we zo op het spoor van een nieuwe kracht of nieuwe deeltjes die zorgden voor het materie-universum dat we nu zien”, zegt Tuning.

Wursten van het BASE-experiment is op zoek naar het antwoord door ook naar andere open vraagstukken in de natuurkunde te kijken. “Kan de overvloed van materie iets met donkere materie of donkere energie te maken hebben?”, vraagt ze zich af. “Misschien reageert antimaterie wel anders met donkere materie. Wij hebben met het BASE-experiment recent de eerste limiet gezet op die mogelijke interactie. De definitieve verklaring laat waarschijnlijk nog veel langer op zich wachten.”

Als we vanuit de antimateriefabriek weer naar buiten lopen staan we in de zon tussen de gebouwen op het CERN-terrein, die bijna een stad op zich vormen. Waar de meeste experimenten hier deeltjes opzwepen tot gigantische energieën om ze te laten botsen, volgen wetenschappers in dit lab een andere strategie voor de tegendraadse antimaterie: deze hal staat vol met vertragers. Antimaterie moet zijn geheimen in alle rust prijsgeven.