Hoewel dit voorlopige gegevens zijn, zijn wetenschappers van mening dat herhaalde metingen hun eerste bevindingen zullen bevestigen.
Natuurkundigen van het ALPHA-project, dat is gebaseerd op CERN, presenteerden de eerste gegevens over metingen van de fijne structuur van het spectrum van antimateriedeeltjes, waaruit men conclusies kan trekken over de structuur van de kwantumenergieniveaus. Daarin bleek het vergelijkbaar te zijn met gewone materie, schrijven wetenschappers in een artikel gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
“De ontdekking van eventuele discrepanties in de eigenschappen van materie en antimaterie zal letterlijk het fundament van het standaardmodel doen schudden. Deze metingen hielpen ons onze lang gekoesterde droom te verwezenlijken en enkele aspecten van de interactie van antimaterie met de omringende ruimte te bestuderen, waaronder het meten van de verschuiving van de lagere energieniveaus - zei de resultaten van het werk, de officiële vertegenwoordiger van het ALPHA-project Jeffrey Hangst.
Kosmologen suggereren dat in het heelal in de eerste momenten van zijn leven materie en antimaterie ongeveer gelijk waren. Alle chemische en fysische eigenschappen van hun deeltjes, met uitzondering van de lading, hadden hetzelfde moeten zijn - tenzij het standaardmodel natuurlijk onvolledig of onjuist is (deze theorie beschrijft de meeste interacties van alle elementaire deeltjes die de wetenschap nu kent).
Dit is echter in tegenspraak met het bestaan van de werkelijkheid, aangezien alle deeltjes materie en antimaterie elkaar moesten vernietigen, botsen en wederzijds vernietigen in de eerste ogenblikken na de oerknal. Daarom hebben wetenschappers vele decennia ruzie gemaakt en zich afgevraagd waarom er praktisch geen antimaterie is in het waarneembare universum.
Veel natuurkundigen geloven dat het antwoord op dit raadsel ligt in de kleinste verschillen in de eigenschappen, het gedrag en de structuur van de deeltjes antimaterie en materie. Wetenschappers hebben onlangs veel aanwijzingen gevonden dat dergelijke discrepanties kunnen bestaan, bijvoorbeeld in de massa protonen en antiprotonen. Fysici hebben er echter nog geen enkele bevestigd.
Hangst en zijn collega's proberen ze al jaren te vinden met behulp van het ALPHA-2-instrument, een speciale magnetische val voor positronen en antiprotonen die hen dwingt om te combineren en enkele antimaterie-atomen te vormen. De eerste metingen van dit soort, die wetenschappers hebben uitgevoerd in 2012, 2016 en 2018, toonden aan dat er geen verschil is in de manier waarop licht elektronen en positronen in atomen van antimaterie en materie exciteert.
Promotie video:
Geheimen van antimaterie
In een nieuwe reeks experimenten hebben CERN-wetenschappers voor het eerst de zogenaamde Lamb-shift voor antimaterie gemeten. Dit is wat wetenschappers kleine verschillen noemen in waar twee specifieke energieniveaus binnen het atoom, 2s en 2p, zich bevinden. Volgens de theorie zou hun positie moeten samenvallen, maar in werkelijkheid is dit niet zo - ze blijken ten opzichte van elkaar te zijn verschoven.
Het bestaan van deze kloof is te wijten aan het feit dat materiedeeltjes en antimaterie constant op kwantumniveau interageren met paren virtuele deeltjes en antideeltjes, die continu worden geboren en verdwijnen in de leegte van vacuüm. Sporen hiervan zijn te zien in de zogenaamde "fijne structuur" van het atoom, een reeks smalle banden in het spectrum waarin theoretisch voorspelde energieniveaus zijn opgesplitst.
De ALPHA-projectleden bestudeerden eerst de structuur van deze reeks lijnen door 90.000 anti-waterstofatomen door een krachtig magnetisch veld te laten gaan, ze vervolgens te bestralen met een ultraviolette laser en te observeren hoe hun spectrum daardoor veranderde. De wetenschappers gebruikten deze gegevens om de Lamb-verschuiving van antimaterie te berekenen en deze te vergelijken met een vergelijkbare parameter voor waterstof.
Over het algemeen vielen de verkregen waarden samen met metingen voor gewone materie en met de resultaten van theoretische berekeningen, waarbij rekening werd gehouden met kwantumeffecten. Zoals Hangst benadrukt, zijn deze gegevens nog voorlopig, maar nu kunnen we al zeggen dat metingen van de constante structuur niet meer dan 2% kunnen afwijken van de voorspellingen van de theorie, en de Lamb shift met meer dan 11%.
ALPHA-leden zijn van plan om in de nabije toekomst nauwkeurigere metingen uit te voeren door de anti-waterstofatomen af te koelen tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt. Deze waarnemingen, zo hopen wetenschappers, zullen eindelijk bevestigen dat de waarden van de Lamb shift voor materie en antimaterie hetzelfde zijn, en dat ze natuurkundigen zullen helpen om de straal van het antiproton nauwkeurig te meten.