Wetenschappelijk contact: Joel Fajans, 510-984-3601
Een artist’s impression van een antihydrogeenatoom – een negatief geladen antiproton dat in een baan wordt gebracht door een positief geladen anti-elektron, of positron – dat wordt gevangen door magnetische velden. (Grafiek door Katie Bertsche) (Klik op afbeelding voor beste resolutie.)
Atomen van antimaterie zijn voor het eerst gevangen en opgeslagen door de ALPHA-samenwerking, een internationaal team van wetenschappers die werken bij CERN, de Europese Organisatie voor Kernonderzoek in de buurt van Genève, Zwitserland. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Ministerie van Energie en de Universiteit van Californië in Berkeley hebben belangrijke bijdragen geleverd aan de lopende internationale inspanning.
ALPHA sloeg atomen van antihydrogeen op, bestaande uit een enkel negatief geladen antiproton dat in een baan wordt gebracht door een enkel positief geladen anti-elektron (positron). Hoewel het aantal gevangen antiaatomen veel te klein is om de materie-antimateriereactor van de Starship Enterprise van brandstof te voorzien, brengt deze vooruitgang de dag dichterbij waarop wetenschappers in staat zullen zijn om precisietests van de fundamentele symmetrieën van de natuur uit te voeren. Metingen aan anti-atomen kunnen onthullen hoe de fysica van antimaterie verschilt van die van de gewone materie die de wereld die wij vandaag kennen, domineert.
Bekijk meer artikelen met betrekking tot antimaterie:
- Het mysterie van de ster die maar niet wilde sterven
- CUORE Underground Experiment Narrows the Search for Rare Particle Process
- Underground Neutrino Experiment Could Provide Greater Clarity on Matter-Antimatter Imbalance
Grote hoeveelheden antihydrogen atomen werden acht jaar geleden voor het eerst in CERN gemaakt door twee andere teams. Hoewel ze antimaterie maakten, konden ze die niet opslaan, omdat de antiaatomen binnen een miljoenste van een seconde na hun vorming de wanden van de experimenten met gewone materie raakten en onmiddellijk werden vernietigd – volledig vernietigd door omzetting in energie en andere deeltjes.
“Het vangen van antihydrogeen bleek veel moeilijker te zijn dan het maken van antihydrogeen,” zegt ALPHA-teamlid Joel Fajans, een wetenschapper in Berkeley Lab’s Accelerator and Fusion Research Division (AFRD) en een professor in de natuurkunde aan UC Berkeley. “ALPHA maakt routinematig duizenden antihydrogeenatomen in één seconde, maar de meeste zijn te ‘heet’ – te energetisch – “om in de val te worden gehouden. We moeten geluk hebben om er een te vangen.”
De ALPHA-samenwerking slaagde erin door een speciaal ontworpen magnetische fles te gebruiken, een zogeheten Minimum Magnetic Field Trap. Het belangrijkste onderdeel is een octupoolmagneet (acht magneetpolen), waarvan de velden de anti-atomen weghouden van de wanden van de val en zo voorkomen dat ze vernietigd worden. Fajans en zijn collega’s in het AFRD en aan de UC hebben de octupoolmagneet voorgesteld, ontworpen en getest, en deze is in Brookhaven gefabriceerd. ALPHA-teamlid Jonathan Wurtele van AFRD, tevens hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley, leidde een team van Berkeley Lab-medewerkers en gastwetenschappers die computersimulaties gebruikten om de voordelen van de octupoolval te verifiëren.
In een binnenkort verschijnend nummer van Nature dat nu online staat, rapporteert het ALPHA-team de resultaten van 335 experimentele proeven, die elk één seconde duurden, waarin de anti-atomen werden gemaakt en opgeslagen. De proeven werden herhaald met tussenpozen die nooit korter waren dan 15 minuten. Om tijdens deze sessies antihydrogeen te vormen, werden antiprotonen gemengd met positronen in de val. Zodra de magneet van de val werd “uitgezet”, werden alle opgesloten antiprotonen vrijgelaten, en hun annihilatie werd geregistreerd door siliciumdetectoren. Op deze manier registreerden de onderzoekers 38 antihydrogeenatomen, die bijna twee tienden van een seconde in de val waren gehouden.
De posities van de 38 echte annihilaties van anti-atomen (cirkels en driehoeken) komen overeen met de voorspelde verdeling van antihydrogeen (grijze stippen in het bovenste paneel), maar niet met de gesimuleerde verdeling van kale antiprotonen (gekleurde stippen in het onderste paneel). Geladen kale antiprotonen zouden naar verschillende clusters worden gestuurd door verschillende elektrische velden (rode rechtse bias, blauwe linkse bias, groene geen bias), maar anti-atomen zijn neutraal zodat hun verdeling niet wordt beïnvloed. (De paarse ster is een energetisch positron.) (Klik op de afbeelding voor de beste resolutie.)
“Het bewijs dat we antihydrogeen hebben gevangen berust op de vaststelling dat ons signaal niet het gevolg is van een achtergrond,” zegt Fajans. Hoewel er waarschijnlijk veel meer dan 38 antihydrogeenatomen zijn gevangen tijdens de 335 proeven, waren de onderzoekers voorzichtig om te bevestigen dat elke kandidaat-gebeurtenis in feite een annihilatie van een anti-atoom was en niet de passage van een kosmische straal of, moeilijker uit te sluiten, de annihilatie van een kaal antiproton.
Om onderscheid te maken tussen echte gebeurtenissen en achtergrond, gebruikte het ALPHA-team computersimulaties gebaseerd op theoretische berekeningen om te laten zien hoe achtergrondgebeurtenissen zouden worden verdeeld in de detector versus hoe echte antihydrogeenannihilaties zouden verschijnen. Fajans en Francis Robicheaux van de Auburn University hebben simulaties bijgedragen van hoe in spiegelbeeld gevangen antiprotonen (die opgesloten door magneetspoelen rond de uiteinden van de octupoolmagneet) anti-atoom annihilaties zouden kunnen nabootsen, en hoe werkelijk antihydrogeen zich in de val zou gedragen.
Leren van antimaterie
Vóór 1928, toen anti-elektronen op theoretische gronden werden voorspeld door Paul Dirac, was het bestaan van antimaterie onvermoed. In 1932 werden anti-elektronen (positronen) gevonden in brokstukken van kosmische straling door Carl Anderson. De eerste antiprotonen werden in 1955 opzettelijk gemaakt in het Bevatron van Berkeley Lab, de deeltjesversneller met de hoogste energie van die tijd.
In het begin zagen natuurkundigen geen reden waarom antimaterie en materie zich niet symmetrisch zouden gedragen, dat wil zeggen, op dezelfde manier aan de natuurwetten zouden gehoorzamen. Maar als dat zo was, dan zouden bij de oerknal gelijke hoeveelheden van beide moeten zijn gemaakt – in dat geval zouden ze elkaar moeten hebben vernietigd, zonder iets achter te laten.
In de jaren zestig ontdekten natuurkundigen subatomaire deeltjes die vervielen op een manier die alleen mogelijk was als de symmetrie die bekend staat als ladingsconjugatie en pariteit (CP) in het proces was geschonden. Als gevolg daarvan, realiseerden de onderzoekers zich, moet antimaterie zich enigszins anders gedragen dan gewone materie. Maar ook al schenden sommige antideeltjes CP, dan nog zouden antideeltjes die achteruit in de tijd bewegen dezelfde natuurkundige wetten moeten gehoorzamen als gewone deeltjes die vooruit in de tijd bewegen.
Een manier om deze aanname te testen zou zijn om de energieniveaus van gewone elektronen die om een gewoon proton draaien te vergelijken met de energieniveaus van positronen die om een antiproton draaien, dat wil zeggen, de spectra van gewone waterstofatomen en antihydrogeenatomen te vergelijken. Het testen van CPT-symmetrie met antihydrogeenatomen is een belangrijk doel van het ALPHA-experiment.
Hoe maak je antihydrogeen en hoe sla je het op
Om antihydrogeen te maken, leiden de versnellers die protonen naar de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN voeren, een deel daarvan om tot antiprotonen door ze tegen een metalen doelwit te laten botsen; de antiprotonen die dat oplevert, worden bewaard in CERN’s Antimatter Decelerator ring, die bundels antiprotonen levert aan ALPHA en een ander antimaterie-experiment.
Wurtele zegt: “Het is moeilijk om p-baren te vangen” – het symbool voor antiproton is een kleine letter p met een balkje erboven – “omdat je ze helemaal moet afkoelen van honderd miljoen elektronvolt tot vijftig miljoenste elektronvolt.”
In het ALPHA-experiment worden de antiprotonen door een serie fysieke barrières geleid, magnetische en elektrische velden, en wolken van koude elektronen, om ze verder af te koelen. Tenslotte worden de laagenergetische antiprotonen in het vanggebied van ALPHA gebracht.
Terwijl worden laagenergetische positronen, afkomstig van verval in een radioactieve natriumbron, aan de andere kant in de val gebracht. Omdat het geladen deeltjes zijn, kunnen zowel positronen als antiprotonen in afzonderlijke secties van de val worden gehouden door een combinatie van elektrische en magnetische velden – een wolk van positronen in een “opwaartse put” in het centrum en de antiprotonen in een “neerwaartse put” naar de uiteinden van de val.
Om zich bij de positronen in hun centrale put te voegen, moeten de antiprotonen voorzichtig worden geduwd door een oscillerend elektrisch veld, dat hun snelheid op een gecontroleerde manier verhoogt door een fenomeen dat autoresonantie wordt genoemd.
“Het is alsof je een kind op een schommel in een speeltuin duwt,” zegt Fajans, die zijn vroegere afstudeerstudent Erik Gilson en Lazar Friedland, een professor aan de Hebreeuwse Universiteit en bezoeker aan Berkeley, met de vroege ontwikkeling van de techniek crediteert. “Hoe hoog de schommel gaat heeft niet zozeer te maken met hoe hard je duwt of hoe zwaar het kind is of hoe lang de kettingen zijn, maar in plaats daarvan met de timing van je duwtjes.”
Antiprotonen en positronen worden van tegenovergestelde kanten in de ALPHA-val gebracht en daar vastgehouden door elektrische en magnetische velden. Samengevoegd vormen zij anti-atomen, neutraal in lading maar met een magnetisch moment. Als hun energie laag genoeg is, kunnen zij worden vastgehouden door de octupool- en spiegelvelden van de Minimum Magnetic Field Trap. (Klik op de afbeelding voor de beste resolutie.)
De nieuwe autoresonantietechniek bleek essentieel om antiprotonen nauwkeurig van energie te voorzien, zodat anti-atomen met een relatief lage energie konden worden gevormd. De nieuw gevormde anti-atomen zijn neutraal van lading, maar door hun spin en de verdeling van de tegengestelde ladingen van hun componenten hebben zij een magnetisch moment; mits hun energie laag genoeg is, kunnen zij gevangen worden in het octupool magnetisch veld en de spiegelvelden van de Minimum Magnetic Field Trap.
Van de duizenden antihydrogeenatomen die in elke mengsessie van één seconde worden gemaakt, zijn de meeste te energetisch om vastgehouden te worden en ze vernietigen zichzelf tegen de wanden van de val.
De ALPHA 38 bevrijden
Na het mengen en vangen – plus het “opruimen” van de vele kale antiprotonen die geen antihydrogeen hebben gevormd – wordt de supergeleidende magneet die het insluitende veld produceert abrupt uitgeschakeld – binnen slechts negenduizendste van een seconde. Dit veroorzaakt een “quench” van de magneet, een snelle terugkeer naar normale geleiding die resulteert in snelle verhitting en spanning.
“Quenches in milliseconden zijn bijna ongehoord,” zegt Fajans. “Het opzettelijk uitschakelen van een supergeleidende magneet gebeurt meestal duizenden malen langzamer, en niet met een quench. We hebben op Berkeley Lab veel experimenten gedaan om er zeker van te zijn dat de ALPHA-magneet meerdere snelle quenches kan overleven.”
Vanaf het begin van de quench hebben de onderzoekers 30-duizendste seconde de tijd gegeven om eventueel gevangen antihydrogeen uit de val te laten ontsnappen, evenals eventuele kale antiprotonen die zich nog in de val zouden kunnen bevinden. Kosmische stralen zouden ook door het experiment kunnen dwalen gedurende dit interval. Door elektrische velden te gebruiken om de val van geladen deeltjes te ontdoen of ze naar de ene of de andere kant van de detectoren te sturen, en door de echte gegevens te vergelijken met computersimulaties van kandidaat-antihydrogeenannihilaties en -look-alike gebeurtenissen, waren de onderzoekers in staat om 38 antihydrogeenatomen ondubbelzinnig te identificeren die ten minste 172 milliseconden – bijna twee tienden van een seconde – in de val hadden overleefd.
Zegt Fajans: “Ons rapport in Nature beschrijft de eerste successen van ALPHA bij het vangen van antihydrogeenatomen, maar we verbeteren voortdurend het aantal en de duur van de tijd dat we ze kunnen vasthouden. We naderen het punt waarop we een aantal soorten experimenten met antimaterieatomen kunnen uitvoeren. De eerste pogingen zullen ruw zijn, maar niemand heeft ooit eerder zoiets gedaan.”
“Gevangen Antihydrogen,” door Gorm Andresen, Mohammad Dehghani Ashkezari, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Paul Bowe, Eoin Butler, Claudio Lenz Cesar, Steve Chapman, Michael Charlton, Adam Deller, Stefan Eriksson, Joel Fajans, Tim Friesen, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele, en Yasunori Yamazaki, is beschikbaar in advance online publication van Nature. ALPHA wordt gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation en het U.S. Department of Energy’s Office of Science.
Berkeley Lab is een U.S. Department of Energy nationaal laboratorium dat wordt beheerd door de Universiteit van Californië voor het DOE Office of Science. Bezoek onze website.