Een historische test: voor het eerst is aangetoond dat antimaterie hetzelfde interfererende golfgedrag vertoont als ‘gewone’ materiedeeltjes. Italiaanse wetenschappers gebruikten daarvoor het beroemde tweespleten-quantumexperiment – een technisch hoogstandje.

Antimaterie bestaat uit deeltjes die grotendeels overeenkomen met materiedeeltjes, maar een aantal precies tegengestelde eigenschappen hebben. Het anti-elektron (positron) is bijvoorbeeld even zwaar als het elektron, maar heeft de lading +1 in plaats van -1.

Het raadsel van de­ verdwenen antimaterie
LEES OOK
Het raadsel van de­ verdwenen antimaterie

Van ‘gewone’ materiedeeltjes, zoals elektronen en protonen wisten we al dat ze eigenschappen van golven én deeltjes hebben. Dit is in een halve eeuw geleden aangetoond met het tweespletenexperiment. Een experiment dat elke natuurkundestudent kent.

Tweespletenexperiment

Het oorspronkelijke tweespletenexperiment bestaat uit een plaat met twee smalle spleten naast elkaar met daarachter een scherm. Stel je voor dat je knikkers, die net door de spleten passen op de plaat afschiet. Je verwacht dan dat elke knikker door één van de twee spleten vliegt. Als je dit met veel knikkers doet, ontstaan er op het scherm twee strepen. Een streep achter elke spleet. Daar zijn de knikkers terechtgekomen.

Stel nu dat je die knikkers zo groot maakt als een molecuul, of een elektron. Dan gebeurt er iets geks. Deze piepkleine deeltjes gehoorzamen namelijk, in tegenstelling tot de grote knikkers, aan de wetten van de quantummechanica.

Als je piepkleine deeltjes op een plaat met smalle spleten afschiet, verschijnen er meerdere lichte en donkere strepen op het scherm. Dit interferentiepatroon ontstaat doordat licht en andere deeltjes zich als quantumgolven gedragen. De golven klotsen door de spleten heen. Achter de plaat doven de toppen en dalen van de golven elkaar soms uit of versterken elkaar. Zo ontstaan meerdere lichte en donkere strepen die het quantummechanische golfgedrag van deeltjes verraden.

Tweespletenexperiment waarbij een bundel deeltjes met golfgedrag door twee spleten beweegt, interfereert en strepen maakt op het scherm. Bron: Wikimedia commons

Voor hun experiment gebruikten de onderzoekers positronen, de antimateriële zusjes van elektronen. Die komen vrij bij het radioactieve verval van natrium-22. Deze positronen versnelden ze in een elektrisch veld. Daarna kneedden ze er een smalle, evenwijdige antideeltjesbundel van die ze door een rooster met spleten schoten. Een detector die daar achter stond, mat het interferentiepatroon van de positronen.

De onderzoekers vuurden tot 200 uur achter elkaar positronen af op het diffractierooster. Er werd een duidelijk interferentiepatroon van lichte en donkere strepen zichtbaar. Zo is aangetoond dat ook antideeltjes zich als een golf kunnen gedragen en interfereren. Ze gedragen zich dus volgens de quantummechanische wetten.

Antimateriegolven

Dit experiment was nog nooit eerder gedaan met antimaterie. ‘Dat komt doordat het technisch lastiger is’, zegt Marco Giammarchi, van de Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italië en een van de auteurs. ‘Antimaterie is bijvoorbeeld veel schaarser dan gewone materie. Je moet er eerst genoeg van produceren voordat je het experiment kunt doen.’

Bovendien verdwijnt antimaterie als het in aanraking komt met gewone materie. Je hebt dus goed geïsoleerde systemen nodig. Ook dat maakt het lastig om er experimenten mee te doen.

Dat ook antimaterie zich golfachtig gedraagt in dit experiment is niet onverwacht. ‘Dat wisten we eigenlijk wel’, zegt Jacco de Vries van onderzoeksinstituut Nikhef en Universiteit Maastricht. Hij was niet betrokken bij het onderzoek. Het volgt uit de wetten van de quantummechanica en er zijn geen experimenten die het tegendeel bewijzen. ‘Maar het is gaaf dat dit onderzoek gedaan is en dat het interfererende golfgedrag van antideeltjes nu echt is aangetoond. Het is heel fundamenteel onderzoek. Een historische test.’

Omhoog vallen

Een andere vraag waar onderzoekers aan werken is of antimaterie ook hetzelfde reageert op zwaartekracht. Volgens Einsteins relativiteitstheorie leggen alle deeltjes hetzelfde pad af in een zwaartekrachtsveld, ongeacht hun eigenschappen. De verwachting is daarom dat antideeltjes, net als gewone deeltjes, omlaag vallen. Maar dit is nog nooit aangetoond. Als antideeltjes omhoog vallen, moeten we op zoek naar een nieuwe theorie.

De opstelling waarmee het tweespletenexperiment met antimateriedeeltjes uitgevoerd is. Bron: Simone Sala, Università degli Studi di Milano