Het ALPHA-experiment in de Large Hadron Collider (LHC)  van het CERN. Foto: Maximilien Brice/CERN

CERN bereikt ongeziene precisie bij meting kwantumsprong van antimaterie

Het internationale ALPHA-experiment van het CERN heeft gemeld dat het de meest precieze directe meting ooit van antimaterie verricht heeft. Het resultaat is volgens ALPHA het hoogtepunt van 30 jaar onderzoek en ontwikkeling aan het CERN, en het opent een volkomen nieuw tijdperk van hoge precisie tests met materie en antimaterie. 

Het nederige waterstofatoom, dat slechts bestaat uit een enkel elektron dat draait rond een enkel proton, is in de fundamentele fysica een reus, die aan de basis ligt van het moderne beeld van een atoom. 

Als er energie aan een atoom wordt toegevoegd, bijvoorbeeld doordat de stof verhit wordt, kunnen er elektronen naar een hogere energietoestand gaan, een zogenoemde aangeslagen toestand. 

Als een elektron terugvalt naar een lager energieniveau, zendt het atoom energie uit in de vorm van elektromagnetische straling, bijvoorbeeld licht. Dat heet emissie van stralingsenergie.

De stralingsenergie die vrijkomt bij een bepaalde elektronensprong komt overeen met het energieverschil tussen de twee energieniveaus, en de waarden van de energie van de sprongen zijn typisch voor elk chemisch element. De stralingsenergie bepaalt de golflengte van de straling, en dus de kleur van het uitgestraalde licht.

De straling die door enkelvoudige stoffen - stoffen die slechts uit een soort atoom bestaan - wordt uitgezonden, kan verder ontleed worden als men de straling door een prisma stuurt. Als het licht van een gloeiend hete zuivere stof via een prisma op een wit vlak valt, vertonen zich lijntjes met verschillende kleuren. Dat heet het emissiespectrum. Elk lijntje komt overeen met een bepaalde energie, en dus met een bepaalde overgang tussen twee elektronenschillen. Zo geeft een elektron uit een natriumatoom dat terugvalt van de N-schil naar de M-schil, de bekende gele kleur die natriumlampen uitstralen.

Het spectrum van waterstof wordt gekenmerkt door goed gekende spectraallijnen op bepaalde golflengtes, die overeenkomen met de emissie -het uitstoten - van fotonen - lichtdeeltjes - van een bepaalde frequentie of kleur, als de elektronen een kwantumsprong maken van de ene schil naar de andere elektronenschil. Het is dat licht dat men meet en waarvan men het spectrum bepaalt. Metingen van het emissiespectrum van waterstof komen overeen met de theoretische voorspellingen tot het niveau van een paar delen op een biljard (10 tot de 15e), een verbluffend nauwkeurig resultaat dat onderzoekers naar antimaterie al lang ook proberen te bereiken voor antiwaterstof. 

Een waterstofatoom, met een positief geladen proton als kern en een negatief geladen elektron, en een antiwaterstofatoom (in de "spiegel", achteraan), met een negatief geladen antiproton in de kern en een positief geladen anti-elektron of positron. National Science Foundation NSF

CPT-symmetrie

Het vergelijken van dergelijke nauwkeurige metingen voor een waterstofatoom met die voor een antiwaterstofatoom, dat bestaat uit een antiproton waar een positron rond draait, vormt een test voor fundamentele symmetrie in de fysica die de CPT-symmetrie (charge, parity, and time reversal)  genoemd wordt. Die houdt in dat fysische wetten dezelfde blijven als alle ladingen (charge, vandaar de C) door tegengestelde ladingen vervangen worden, alle dimensies gespiegeld worden (pariteitssymmetrie, P) en als de tijd omgekeerd wordt (T). 

Als er zelfs maar een klein verschil zou gevonden worden tussen de waarden voor waterstof en antiwaterstof, zou dat een schending vormen van de CPT-symmetrie en het zou de fundamenten van het Standaardmodel van de deeltjesfysica op de helling zetten.

Anderzijds zou het licht kunnen werpen op de vraag waarom het universum bijna uitsluitend uit materie bestaat.  Volgens het Standaardmodel zou ons heelal immers eigenlijk helemaal niet mogen bestaan: bij het ontstaan van het heelal, de big bang, werden immers even grote hoeveelheden materie als antimaterie gecreëerd. En als een deeltje zijn antideeltje tegenkomt, vernietigen ze elkaar in een uitbarsting van energie, zodat het een raadsel is waarom alleen de antimaterie grotendeels verdwenen is en de materie overgebleven is. 

Tot nu toe was het echter zo goed als onmogelijk om voldoende van de kwetsbare antiwaterstofatomen te produceren en gevangen te houden, en om de nodige optische onderzoekstechnologie te ontwerpen, om voldoende nauwkeurige spectroscopie - studie van het spectrum - van antiwaterstof mogelijk te maken. 

De Antiproton Decelerator in het CERN. CERN

Antiproton Vertrager

Het ALPHA team maakt antiwaterstofatomen door antiprotonen te nemen van de Antiproton Decelerator (vertrager) van het CERN en die de binden aan positronen - de positief geladen tegenhangers van elektronen - van de radioactieve isotoop van natrium, Na-22. Vervolgens vangt men de zo bekomen antiwaterstofatomen in een magnetische val, die belet dat ze in contact zouden komen met materie en zo zichzelf en de materie zouden vernietigen. Vervolgens wordt dan laserlicht op de gevangen antiwaterstofatomen geschenen, wordt hun reactie daarop gemeten en uiteindelijk vergeleken met die van waterstof. 

In 2016 gebruikte het ALPHA-team deze benadering om de frequentie te meten met een precisie van enkele deeltjes op tien miljard (10 tot de 10e) van de kwantumsprong tussen het laagste energieniveau en het eerste aangeslagen niveau, de zogenoemde 1S naar 2S overgang, van antiwaterstof.  Bij die meting waren twee laserfrequenties betrokken, waarvan de ene overeenkwam met de frequentie van de 1S-2S overgang bij waterstof, en de andere daarvan lichtjes afweek. Voorts telde men ook het aantal anti-atomen die uit de val vielen ten gevolge van de interactie tussen de laser en de gevangen anti-atomen. 

Het laatste resultaat dat nu bereikt is, tilt de spectroscopie van antiwaterstof naar een nieuw niveau, zegt het ALPHA-team.  Bij deze meting werd niet een laser met een iets andere frequentie gebruikt, maar verschillende, met iets hogere, en iets lagere frequenties dan die van de 1S-2S-overgang van waterstof. Dat liet het team toe om de spectrale vorm, de verspreiding van de kleuren, te meten van de 1S-2S-overgang van antiwaterstof, en een nauwkeurigere meting te verrichten van zijn frequentie. 

De vorm komt extreem goed overeen met de verwachte vorm voor waterstof, en ALPHA was in staat om de frequentie van de 1S-2S-overgang te bepalen met een precisie van enkele delen op een biljoen (10 tot de 12e), dus een factor 100 beter dan de meting van 2016. 

Voorstelling van een waterstofatoom volgens het model van Bohr, met een kwantumsprong van een elektron van S3 naar S2, waarbij een foton wordt uitgestoten (rood). Illustratie: JabberWok at en.wikipedia

Paradigmaverandering

"De precisie die we bereikt hebben in deze laatste studie is de ultieme vervulling van onze wensen", zei Jeffrey Hangst, de woordvoerder voor de internationale ALPHA-samenwerking. "We proberen al 30 jaar om deze precisie te bereiken, en we hebben het uiteindelijk voor elkaar gekregen."

Hoewel de precisie nog steeds niet even groot is als die bij gewone waterstof bereikt wordt, wijst de enorme vooruitgang die ALPHA bereikt heeft, erop dat een even grote precisie voor antiwaterstof - en dus een test zonder voorgaande voor de CPT-symmetrie - nu binnen het bereik ligt. "Dit is echte laserspectroscopie met antimaterie, en de "materiegemeenschap" zal daar aandacht aan schenken", aldus Hangst. "We vervullen de hele belofte van de Antiproton Decelerator van het CERN, het is een paradigmaverandering."

Voorlopig is er dus nog steeds geen asymmetrie gevonden tussen materie en antimaterie, en dus ook geen verklaring waarom het heelal is zoals het is, met bijna uitsluitend materie en bijna geen antimaterie. Maar de onderzoekers zoeken voort. Ze zullen de frequentie van de kwantumsprong van antiwaterstof nog nauwkeuriger vastleggen, en andere teams gaan zich dit jaar toeleggen op de invloed van de zwaartekracht op antiwaterstof. Want er moet ergens een verschil zitten tussen materie en antimaterie, zoveel is zeker, zo zeggen de onderzoekers. 

De studie van het ALPHA-team over de antiwaterstof is verschenen in "Nature".