NATUURKUNDE

De antiwereld ligt voor ze open: voor het eerst zijn natuurkundigen van het Europese onderzoeksinstituut Cern in Genève er in geslaagd om atomen te maken die bestaan uit antimaterie. Negen stuks hebben ze er geteld, het resultaat van biljoenen deeltjesbotsingen. Die atomen zullen hen in staat stellen om voor het eerst systematisch de eigenschappen van materie en antimaterie te vergelijken.

Antimaterie is een term die veel valt in science-fictionverhalen: het 'sterreschip' Enterprise uit de serie Star Trek haalt er bijvoorbeeld negen keer de lichtsnelheid mee. Dat laatste is vermoedelijk een fysische onmogelijkheid, maar antimaterie bestaat echt en is inderdaad, als je er eenmaal een voorraadje van hebt, een plausibele energievoorraad. Een deeltje materie en een deeltje antimaterie vernietigen elkaar bij het geringste contact; alle massa wordt omgezet in energie. Ter vergelijking: van een paar kilo uranium wordt in een nucleaire explosie maar een zeer klein deel van de massa in energie omgezet.

Wat is antimaterie dan? De modellen die deeltjesfysici van de wereld op kleinste schaal maken, tellen vele soorten materiedeeltjes. Ze onderscheiden zich door gevoelig te zijn voor bepaalde krachten en voor andere niet. Elk deeltje voelt de zwaartekracht, en voor bijvoorbeeld fotonen (lichtdeeltjes) houdt het daarmee op. Elektronen staan daarnaast onder invloed van de elektromagnetische kracht. Quarks, de samenstellende deeltjes van protonen en neutronen, voelen ook nog de 'sterke kernkracht'. Samen vormen die deeltjes de stoffelijke wereld die de natuurkunde in eerste instantie onderzoekt.

Maar onderzoek in deeltjesversnellers heeft geleerd dat bij botsingen tussen versnelde deeltjes uit de vrijkomende energie ook minder gebruikelijke deeltjes ontstaan: het positron bijvoorbeeld, een deeltje dat als twee druppels water op een elektron lijkt, maar met een positieve lading in plaats van een negatieve. Het ontstaat samen met een elektron, en als het op een elektron botst, verdwijnen beide: ze worden geheel in energie omgezet. De ordelijkheid die de natuurkundigen eisen van hun modellen, doet verwachten dat elk deeltje op die manier zijn 'antideeltje' heeft en die verwachting is ook uitgekomen. Het in Genève uitgevoerde experiment bestond eruit, positronen en negatief geladen antiprotonen elkaar te laten ontmoeten, wat in sommige gevallen leidde tot de vorming van een antiwaterstofatoom.

Ooit moet er veel meer antimaterie in het heelal geweest zijn. Net zoals nu antimaterie en materie samen kunnen ontstaan wanneer er voldoende energie voor aanwezig is, moeten die twee ook in de oerknal samen zijn ontstaan. De meeste materie- en antimateriedeeltjes hebben elkaar kort daarna alweer vernietigd. Maar kennelijk was er geen volmaakt evenwicht tussen die twee: er was een fractie meer gewone materie, en daaruit zijn alle gaswolken, sterrenstelsels, planeten en koelkasten ontstaan die nu waargenomen worden. Wat het evenwicht heeft verbroken, dat is een van de fundamentele vragen van de kosmologie.

Anti-periodiek systeem

Wie weet kunnen de experimenten van Cern bijdragen tot de oplossing daarvan. In principe zouden de proeven nu kunnen worden voortgezet in de richting van andere atomen, zodat een heel 'anti-periodiek systeem van elementen' wordt geschapen. Maar het scheppen van het eenvoudigst denkbare atoom uit de antiwereld was al lastig genoeg. In totaal vijftien uur lang werden in september en oktober in de Low energy antiproton ring (LEAR) van Cern twee een deeltjesbundel en een antideeltjesbundel tegen elkaar aan geschoten. De antideeltjes waren antiprotonen, de deeltjes waren xenonkernen. Als alle atoomkernen bestaan die deels uit protonen en als een antiproton daarop botste, vernietigde het tweetal elkaar. Daarbij werd soms een elektron-positronpaar gevormd, en heel soms hadden een antiproton uit de oorspronkelijke bundel en een anti-elektron beide ongeveer dezelfde snelheid, zodat ze aan elkaar gebonden konden raken. Biljoenen botsingen leverden gedurende twee maanden experimenteren negen waarnemingen op van een antiwaterstofatoom. Dat kon gedetecteerd worden omdat het, net als een gewoon atoom, elektrisch neutraal was.

Voorlopig zullen de onderzoekers het dan ook wel bij het antiwaterstofatoom houden. Volgens de gangbare modellen van de deeltjesfysica moet dat zich net zo gedragen als een gewoon waterstofatoom - voor zo lang het bestaat tenminste in de vijandige wereld van de gewone materie. Het heeft immers per saldo geen lading, en dezelfde massa als het gewone atoom. Mocht dat toch anders liggen, dan breken er interessante tijden aan. Kapitein Jean-Luc Picard zou zeggen: “Engage!”