Een nieuwe manier om anti-atomen te maken
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben een nieuwe manier bedacht om anti-atomen te maken uit anti-elektronen en antiprotonen. Natuurkundigen zijn sterk geïnteresseerd in het bestuderen van antimaterie, omdat ze willen begrijpen hoe antimaterie zich gedraagt en hoe het komt dat er veel meer gewone materie dan antimaterie is in het heelal. De kern van de techniek, die op AMOLF is ontwikkeld, is lichte deeltjes zodanig te vertragen dat ze door zware deeltjes kunnen worden gevangen en zo een stabiel atoom of anti-atoom vormen. De Amsterdamse onderzoekers Kees Wesdorp en Bart Noordam en hun Amerikaanse collega Francis Robicheaux doen hun experimenten nog met gewone deeltjes. Het principe kan gebruikt worden om voor het eerst stabiele anti-atomen te maken. Uit de eerste resultaten blijkt de techniek veel efficiënter dan bestaande methoden. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters van 24 april aanstaande.
Antimaterie bestaat uit deeltjes die in alles precies tegengestelde eigenschappen hebben als deeltjes die de gewone materie vormen. Zo is bijvoorbeeld een antiproton even zwaar als een gewoon proton, maar heeft het een negatieve elektrische lading. Het anti-elektron (of positron) is gelijk aan een elektron, maar is elektrisch positief geladen. Antiproton en positron vormen samen een elektrisch neutraal antiwaterstofatoom, net zoals een proton en een elektron een gewoon elektrisch neutraal waterstofatoom vormen. Wanneer een gewoon deeltje een antideeltje treft gaan beide op in een energieflits. In grote deeltjesversnellers worden antideeltjes gemaakt en bestudeerd om het gedrag van die deeltjes te begrijpen. De bouwstenen voor een anti-waterstofatoom (antiproton en positron) zijn door die versnellers weliswaar geproduceerd, maar gecontroleerde aanmaak van anti-waterstofatomen is nog niet mogelijk gebleken. Daarom is er bijvoorbeeld nog steeds geen antwoord op de vraag of anti-atomen even hard naar beneden vallen als gewone atomen. Ook zouden door te meten welke kleuren licht anti-atomen absorberen (opnemen) fundamentele natuurwetten zeer nauwkeurig getoetst kunnen worden.
Antideeltjes afkoelen en recombineren
De antideeltjes die in deeltjesversnellers worden gemaakt, bewegen met bijna de lichtsnelheid. Daardoor combineren ze niet tot anti-atomen. Door het werk van de laatste jaren aan het sterk afkoelen en invangen van deeltjes, is het in principe mogelijk tot recombinatie van antideeltjes te komen. Nu is het recombineren van bijvoorbeeld een positron en een antiproton niet gemakkelijk. Weliswaar wordt het positron door de lading van het antiproton aangetrokken, maar het positron heeft voldoende energie om ook weer te ontsnappen; het gevormde deeltje valt dan weer uit elkaar. De oude oplossing is een derde deeltje als een soort toeschouwer bij de recombinatie te betrekken. Dat deeltje dient uitsluitend om de vrijkomende bindingsenergie op te nemen. Daarna schiet dit derde deeltje van het gevormde anti-atoom weg. Dat werkt alleen als er, in het genoemde voorbeeld, bij een lage temperatuur heel veel positronen aanwezig zijn. Een andere techniek is om de vrijkomende bindingsenergie in de vorm van een foton (een lichtdeeltje) af te voeren. Dat is echter een inefficiënt proces dat alleen beter werkt als het zich in een sterk laserveld afspeelt. De laserstraling zelf echter slaat dan een deel van de gevormde anti-atomen weer uit elkaar.
Nieuwe methode
De onderzoekers Kees Wesdorp en Bart Noordam van AMOLF en hun Amerikaanse collega Francis Robicheaux hebben nu een recombinatiemethode ontwikkeld die efficiënter blijkt dan de methoden die hiervoor werden beschreven. De onderzoekers gebruikten voor hun demonstratie-experimenten rubidiumatomen waarvan ze één elektron hebben verwijderd. Het rubidiumatoom is dus een elektrisch positief geladen ion geworden. Het ion vormt de bodem van een elektrische put, de zogeheten Coulombpotentiaal. Door een aangelegd elektrisch veld is de rand van de put aan één kant verlaagd. Daardoor kan een elektron die put binnenvliegen. Dat elektron is door de onderzoekers precies zo afgeremd dat het boven het ion omkeert. Het maakt dan één rondje om het ion en vliegt normaal gesproken de put weer uit. Over het rondje doet het elektron ongeveer een miljardste seconde. Wanneer de onderzoekers nu binnen die tijd het elektrisch veld uitzetten, wordt de verlaagde rand van de put opgehoogd. Het elektron kan de put niet uit en zit gevangen. Er is effectief een neutraal atoom ontstaan.
Methode blijkt efficiënt
Uit de experimenten in AMOLF blijkt nu dat van elke duizend rubidiumionen in deze opzet er drie recombineren tot een neutraal atoom. Dat lijkt weinig, maar aangezien er enorme aantallen ionen gebruikt worden, ontstaan interessante hoeveelheden neutrale atomen. Het rendement is in ieder geval veel groter dan bij de andere bestaande technieken. De methode is goed reproduceerbaar; elk experiment levert vergelijkbare resultaten op.
Op weg naar antiwaterstof
In de komende tijd zal de groep in AMOLF nog een aantal vervolgexperimenten doen als voorbereiding op experimenten in het Europese centrum voor deeltjesonderzoek CERN. Daar zullen gelijktijdig antiprotonen en positronen bij zeer lage temperaturen worden ingevangen. De techniek van AMOLF zal moeten laten zien dat die inderdaad geschikt is om de ingevangen antiprotonen en positronen te laten recombineren tot antiwaterstof. Daarmee zouden dan voor het eerst op een controleerbare manier anti-atomen worden gevormd. Met die antiwaterstofatomen kunnen dan voor het eerst experimenten worden gedaan.
Voor nadere informatie kan men contact opnemen met prof.dr. L.D. Noordam, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, telefoon (020) 608 12 34.