Antimaterie valt precies zoals materie omlaag, blijkt uit het Alpha-g experiment op CERN. Nikhef-onderzoeker in Groningen Steve Jones meet mee.
Het is een fysisch resultaat dat tot de verbeelding spreekt, en dus staan kranten en andere media sinds woensdag vol met nieuws over vallende antimaterie. Nature publiceert de eerste resultaten van Alpha-g, een experiment op CERN, dat bestudeert of anti-materie anders valt dan materie. Het korte antwoord: nee, precies hetzelfde.
Fysicus Steve Jones van het Van Swinderen laboratorium in Groningen, partner van Nikhef, is een van de zeventig auteurs van het Nature-artikel. Hij is niet verbaasd over alle publieke aandacht. “Het is een lekker duidelijk resultaat. De vraag is valt antimaterie omlaag of omhoog. Omlaag dus.”
Antimaterie is op zich een gangbaar verschijnsel in de deeltjeswereld. De meeste geladen elementaire deeltjes hebben in botsingsexperimenten een dubbelganger met precies de tegengestelde lading en verder identieke eigenschappen zoals massa.
Veel experimenten proberen wel kleine fundamentele verschillen te vinden. Theoretisch is er in elk geval nauwelijks reden om te denken dat ze anders op zwaartekracht zouden reageren, dan gewone materie.
Maar om de eerste te zijn die dat rechtstreeks meet, is toch heel bijzonder, zegt Jones.
Steve Jones kwam vorig jaar naar Groningen maar was daarvoor tien jaar verbonden aan Alpha-experiment op CERN, dat antiwaterstof maakt en bestudeert. Waterstofatomen bestaan uit een proton en een elektron. Antiwaterstofatomen uit een antiproton en een anti-elektron. CERN heeft een heel complex om de antideeltjes te maken en ze bij elkaar te brengen.
Jones bouwde jarenlang mee aan de opstelling voor deze meting en was een van de experimentatoren. Het moment dat het resultaat duidelijk werd, kan hij zich nog goed herinneren.”We zagen de gegevens binnenkomen en waren zeer tevreden over de kwaliteit van de metingen. Natuurlijk waren een paar mensen nog steeds een beetje teleurgesteld dat antimaterie niet omhoog valt. Dat zou wat geweest zijn.”
Het nu gepubliceerde resultaat heeft nog een beperkte nauwkeurigheid. Goed genoeg, zegt Jones, om uit te sluiten dat antimaterie omhoog valt. Maar meten hoe het wel valt, kan preciezer. “De huidige metingen gebruiken alleen de val waarin antiwaterstof wordt geproduceerd. We kunnen de antiwaterstofatomen naar een ander deel van ons experiment verplaatsen, waar we betere controle hebben over de magnetische velden”.
In Groningen werkt Jones aan een nieuwe techniek waarmee metingen aan waterstof en antiwaterstof tegelijk onder identieke omstandigheden kunnen worden gedaan. “Daarmee worden alle systematische fouten uitgesloten”, vertelt Jones. Precisie tot minder dan een procent wordt dan mogelijk.
Het Groningse werk gaat om een proof of principe. Uiteindelijk zou zijn waterstof-antiwaterstof opsluiter weer op CERN gebruikt moeten worden, waar daadwerkelijk antiwaterstof beschikbaar is. Dat moment is nog wel een jaar of vijf weg, denkt hij.
Het belangrijkste probleem, vertelt Jones over zijn techniek, is dat experimenten met waterstof en antiwaterstof onder extreem vacuüm moeten plaatsvinden. De kans dat de antipoden elkaar in het systeem tegenkomen, moet immers minimaal zijn. Ander verdwijnen de antideeltjes bij botsingen met het resterende gas.
Jones: “Antiwaterstof is uiterst zeldzaam, daar heb je nauwelijks atomen van. Maar gewone bronnen voor waterstof geven veel te veel atomen en doen het vacuüm teniet. Wij zoeken naar een techniek om ultrakoude moleculen met een laser uit elkaar te trekken, zodat je precies genoeg waterstofatomen hebt, maar niet meer.”
Jones’ werk raakt aan de eEDM-experimenten die in Groningen onder Nikhef-vlag gebeuren en die extreem precies meten of elektronen eventueel een beetje asymmetrisch kunnen zijn. Ook daarbij wordt gewerkt met koude moleculen en opsluiting in ion-traps zoals ook Jones gebruikt. “Het raakvlak tussen molecuulfysica en fundamentele deeltjesfysica groeit snel”, stelt hij vast.
