Materie en antimaterie reageren op dezelfde manier op zwaartekracht

Het is nog steeds onduidelijk wat materie en antimaterie zo verschillend maakt.

Deel van de antimateriefabriek van CERN in Zwitserland
De Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) maakt antimaterie in een speciale antimateriefabriek. Credit: CERN/ALPHA Experiment

Nieuw onderzoek heeft uitgewezen dat onder de invloed van zwaartekracht materie en antimaterie op dezelfde manier reageren. Wetenschappers komen er geen stap verder mee en weten nog steeds niet wat de twee anders maakt.

Antimaterie is het raadselachtige materiaal dat tijdens de Oerknal is ontstaan samen met de normale materie. Het is vrijwel de spiegel van normale materie, precies hetzelfde maar dan alleen met een tegenovergestelde elektrische lading. Voor elk proton zou er een antiproton moeten zijn, voor elk elektron een anti-elektron, ook wel positron genoemd.

Als antimaterie en materie elkaar ontmoeten dan vernietigen de twee elkaar waardoor er energie ontstaat. Tenminste, dat is wat experimenten met geavanceerde deeltjesversnellers aantonen. In theorie zouden er gelijke hoeveelheden antimaterie en materie in het heelal moeten zijn. Ze heffen elkaar op wat leidt tot het bestaan van precies niets.

Maar wat we eigenlijk hebben is een heelal gemaakt van materie met heel weinig antimaterie. Wetenschappers willen daarom graag meer weten over de vermiste broer of zus van de materie om te begrijpen waarom materie overleefde en antimaterie niet, wat uiteindelijk leidde tot ons bestaan. Antimaterie past ook niet netjes in theoretische modellen die proberen de fysica te verklaren die ten grondslag ligt aan het heelal.

Een recent experiment uitgevoerd door de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (beter bekend als CERN) in Zwitserland suggereerde dat de interacties van materie en antimaterie met zwaartekracht, de fundamentele kracht die veel processen in het heelal bestuurt, niet is wat hen onderscheidt.

In de experimenten, uitgevoerd over een periode van 18 maanden in de antimateriefabriek van CERN ontdekten de wetenschappers dat materie en antimateriedeeltjes op dezelfde manier reageerden op zwaartekracht. De nauwkeurigheid van hun experimenten betrof 97%.

Hoe hebben ze dat precies gemeten? Ze gebruikten een apparaat genaamd de Penning val, genoemd naar de vroeg 20ste eeuwse natuurkundige Frans Penning. Dit apparaat kan geladen deeltjes opslaan in een magneetveld waardoor ze rondcirkelen met de frequentie die overeenkomt met de sterkte van het magnetische veld en de lading-tot-massaverhouding van het deeltje.

De onderzoekers voerden antiprotonen en negatief geladen waterstofionen (ter vervanging van protonen) in het apparaat en maten hoe ze rondcirkelden. Het experiment leverde resultaten op die vier keer nauwkeuriger zijn dan wat eerder was bereikt. Aldus de onderzoekers in een verklaring.

Omdat het experiment op Aarde werd uitgevoerd stonden de deeltjes onder invloed van de zwaartekracht van de planeet. Als de interacties van de deeltjes en de antideeltjes met de zwaartekracht anders waren geweest dan zouden de metingen andere resultaten hebben opgeleverd, betoogden de onderzoekers.

De nauwkeurigheid van de zwaartekrachtinteractie die in dit onderzoek is verkregen is vergelijkbaar met het nauwkeurigheidsdoel van de zwaartekrachtinteractie tussen antimaterie en materie die andere onderzoeksgroepen van plan zijn te meten met behulp van vrij vallende antiwaterstofatomen, aldus Stefan Ulmer, een natuurkundige bij het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN die toezicht hield op het CERN-experiment. Als de resultaten van onze studie verschillen van die van de andere groepen dan kan dit leiden tot het aanbreken van een geheel nieuwe fysica.

Het lijkt erop dat we nog moeten wachten om te leren wat materie en antimaterie anders maakt.

Het onderzoek is op woensdag 5 januari 2022 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Eerste publicatie: 10 januari 2022
Bron: diverse persberichten