Nogmaals, Einstein! Onderzoek toont aan hoe antimaterie reageert op zwaartekracht

In het “Star Trek”-universum schiet het ruimteschip Enterprise door de ruimte met behulp van een warpaandrijving die antimaterie gebruikt. Het volstaat te zeggen dat deze technologie zich nog steeds in het domein van science fiction bevindt.

Maar wetenschappers zetten belangrijke stappen in de richting van een beter begrip van antimaterie. Onderzoekers zeiden woensdag dat ze voor het eerst hebben bewezen dat antimaterie op dezelfde manier reageert op de zwaartekracht – door te vallen, zoals verwacht – in een experiment dat opnieuw de algemene relativiteitstheorie van natuurkundige Albert Einstein ondersteunde.

Alle dingen die we weten – planeten, sterren, poedels, lolly’s – zijn gemaakt van gewone materie.

Antimaterie is de mysterieuze tweelingbroer van gewone materie, met dezelfde massa maar de tegenovergestelde elektrische lading. Bijna alle subatomaire deeltjes, zoals elektronen en protonen, bevatten een antimaterie-tegenhanger. Terwijl elektronen negatief geladen zijn, zijn anti-elektronen, ook wel positronen genoemd, positief geladen. Op dezelfde manier hebben antiprotonen, terwijl protonen positief geladen zijn, een negatieve lading.

Volgens de huidige theorie zou de oerknalexplosie die het heelal in gang zette, gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten hebben voortgebracht. Dit blijkt echter niet het geval te zijn. Er lijkt heel weinig antimaterie te zijn, en bijna geen op aarde. Bovendien zijn materie en antimaterie onverenigbaar. Bij aanraking exploderen ze, een fenomeen dat vernietiging wordt genoemd.

Het experiment werd uitgevoerd bij het European Centre for Nuclear Research (CERN) in Zwitserland door onderzoekers van de internationale Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) samenwerking. Ze omvatten de antiwaterstofisotoop van materie, het lichtste element.

“Op aarde wordt de meeste natuurlijk voorkomende antimaterie geproduceerd uit kosmische straling – energetische deeltjes uit de ruimte – die botsen met atomen in de lucht en antimaterieparen creëren”, zegt natuurkundige Jonathan Wortley van de University of California, Berkeley, co-auteur. Uit het onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift natuur.

Deze nieuw gecreëerde antimaterie blijft slechts bestaan ​​totdat hij in botsing komt met een gewoon materieatoom in de lagere atmosfeer. Antimaterie kan echter onder gecontroleerde omstandigheden worden gemaakt, zoals in het ALPHA-experiment, waarbij gebruik werd gemaakt van antiwaterstof die bij CERN was gemaakt.

De antiwaterstof bevond zich in een cilindrische vacuümkamer en werd opgesloten door magnetische velden aan de boven- en onderkant. De onderzoekers verminderden de magnetische velden om de antimaterie vrij te laten en te observeren of deze wel of niet zou vallen zodra het zwaartekrachteffect zou optreden. Dat deed het en gedroeg zich onder dezelfde omstandigheden als waterstof.

“Dit resultaat werd voorspeld door middel van theorie en indirecte experimenten die vertrouwden op verborgen verschijnselen. Maar geen enkele groep heeft een direct experiment gedaan waarbij antimaterie simpelweg werd laten vallen om te zien welke kant het op zou vallen, zegt Joel Fagans, natuurkundige aan de University of California, Berkeley en co-auteur van het onderzoek.

“Ons experiment sluit andere theorieën uit die vereisen dat antimaterie – ‘antizwaartekracht’ – opkomt in het zwaartekrachtveld van de aarde,” voegde Wortelli eraan toe.

Terwijl Einstein vóór de ontdekking van antimaterie in 1932 zijn theorie van de algemene relativiteitstheorie – een alomvattende verklaring van de zwaartekracht – bedacht, behandelde hij alle materie als gelijkwaardigheid, wat inhield dat verwacht werd dat antimaterie op dezelfde manier zou reageren op zwaartekrachten als materie.

Maar wat als antimaterie de verwachtingen tart?

“Dit zou een enorme verrassing zijn geweest, omdat het “zeer inconsistent zou zijn met veel theorieën.” Alfa-samenwerking.

“Ik denk dat dit het bewijs is van de kracht van de algemene relativiteitstheorie en de gelijkwaardigheidsprincipes ervan,” voegde Bertschi eraan toe.

Wetenschappers zijn nog steeds verbaasd over de schaarste aan antimaterie in het waarneembare universum. Er zijn bijvoorbeeld geen aanwijzingen dat sterrenstelsels uit antimaterie bestaan.

“De vrijwel volledige afwezigheid van natuurlijk voorkomende antimaterie is een van de grote vragen waarmee de natuurkunde wordt geconfronteerd,” zei Wortelli.

Door aan te tonen dat antimaterie en materie door de zwaartekracht worden aangetrokken, sloot het experiment één mogelijke verklaring voor de schaarste aan antimaterie uit, namelijk dat het tijdens de oerknal door zwaartekracht materie afstootte.

“Hoe mooi de theorie ook is, natuurkunde is een experimentele wetenschap”, zei Fagans.