Antimaterie heeft natuurkundigen al bijna een eeuw geïntrigeerd en in verwarring gebracht, en het effect van de zwaartekracht daarop is een punt van onenigheid. Nieuw onderzoek zou dit debat kunnen oplossen door te ontdekken dat antiwaterstofatomen (de antimaterie-tegenhanger van waterstof) op dezelfde manier door de zwaartekracht worden beïnvloed als hun materie-tegenhangers, waardoor de mogelijkheid van een afstotende 'antizwaartekracht' wordt uitgesloten.


In de 17e eeuw bedacht Isaac Newton zijn zwaartekrachttheorie nadat hij een appel uit een boom had zien vallen. Eeuwen later stelde Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie voor, die nog steeds de meest succesvolle en toetsbare beschrijving van de zwaartekracht is. Antimaterie was echter onbekend bij Einstein.

In 1928 stelde de Britse natuurkundige Paul Dirac een theorie voor dat elk deeltje een overeenkomstig antideeltje heeft, en voorspelde hij het bestaan ​​van positronen (of anti-elektronen). Sindsdien is er veel gespeculeerd over de interactie tussen zwaartekracht en antimaterie, waarbij sommigen suggereren dat antimaterie wordt afgestoten door de zwaartekracht, terwijl anderen suggereren dat het wordt aangetrokken door de zwaartekracht.

Een nieuwe studie van de Antihydrogen Laser Physics Facility (ALPHA)-samenwerking van CERN heeft dat debat mogelijk beslecht, waarbij werd vastgesteld dat antiwaterstofatomen (de antimaterie-tegenhanger van waterstof) op dezelfde manier naar de aarde vallen als hun materie-tegenhangers.

Jeffrey Hangst, de corresponderende auteur van de studie, zei: "In de natuurkunde kun je iets alleen echt begrijpen door het te observeren. Dit is het eerste experiment dat rechtstreeks de invloed van de zwaartekracht op de beweging van antimaterie observeert. Dit is een mijlpaal in de studie van antimaterie, die ons nog steeds een mysterie vormt vanwege de schijnbare afwezigheid ervan in het universum."

Het ALPHA-experiment omvat het creëren, vangen en bestuderen van antiwaterstofatomen in een val. Antiwaterstofatomen zijn elektrisch neutrale en stabiele antimateriedeeltjes, waardoor ze ideaal zijn voor het bestuderen van het zwaartekrachtgedrag van antimaterie. Antiwaterstof bestaat uit twee antideeltjes, antiprotonen en positronen. Een antiproton is een subatomair deeltje met dezelfde massa als een proton, maar met een negatieve lading.

Het ALPHA-team heeft onlangs een verticaal instrument gebouwd met de naam ALPHA-g, waarbij de "g" de lokale versnelling van de zwaartekracht vertegenwoordigt, die voor materie 32,2 voet per seconde (9,81 meter per seconde) bedraagt. ALPHA-g kan de verticale positie van anti-waterstofatomen meten wanneer ze hun overeenkomstige materie ontmoeten - een proces dat bekend staat als annihilatie - en de atomen ontsnappen zodra het magnetische veld van de val wordt uitgeschakeld.

De onderzoekers veroverden een groep van ongeveer 100 antiwaterstofatomen tegelijk. Vervolgens lieten ze de atomen langzaam gedurende 20 seconden los door de stroom in de bovenste en onderste vangmagneten geleidelijk te verminderen. Computersimulaties voorspelden dat 20 procent van de atomen uit de bovenkant van de val zou vrijkomen en 80 procent uit de onderkant, een verschil dat werd veroorzaakt door het neerwaartse effect van de zwaartekracht. De onderzoekers gemiddelden de resultaten van zeven vrijgave-experimenten en ontdekten dat de verhouding van antiatomen die van boven naar beneden stroomden consistent was met de simulaties. Dat wil zeggen dat anti-waterstofatomen op dezelfde manier vallen als waterstofatomen onder de 1 gram vallen (dat wil zeggen normale zwaartekracht).

Met behulp van het ALPHA-g-instrument hebben onderzoekers op effectieve wijze het beroemde zwaartekrachtexperiment van Galileo nagebootst. Volgens de legende liet de Italiaanse wetenschapper ijzeren ballen met verschillende gewichten vanaf de top van de scheve toren van Pisa vallen, en ze raakten allemaal tegelijkertijd de grond, wat aantoont dat de zwaartekracht ervoor zorgde dat objecten met verschillende massa's met dezelfde versnelling vielen.

De onderzoekers zeggen dat hun bevindingen de mogelijkheid van een afstotende 'antizwaartekracht' uitsluiten, maar de huidige studie markeert slechts het begin van een gedetailleerd, direct onderzoek naar de zwaartekrachteigenschappen van antimaterie.

"Het heeft ons dertig jaar gekost om te leren hoe we dit antiatoom moesten maken, hoe we het moesten grijpen en hoe we het zo goed onder controle konden houden dat we het daadwerkelijk konden laten vallen op een manier die het gevoelig maakte voor de zwaartekracht," zei Hangst. “De volgende stap is het zo nauwkeurig mogelijk meten van de versnelling. We willen testen of materie en antimaterie daadwerkelijk op dezelfde manier vallen.”

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature. In de volgende video, geproduceerd door CERN, legt Jeffrey Hangst uit hoe ALPHA-g werkt, de oorzaken en resultaten van het antimaterie-zwaartekrachtexperiment.