Utrecht, 20 augustus 2015

Metingen aan `oersoep' leveren informatie over mysteries van antimaterie

Samenvatting

De massa van een atoomkern is even groot als de massa van zijn antideeltje, de anti-atoomkern. Dit blijkt uit tientallen miljoenen ongekend nauwkeurige metingen door ALICE, een van de experimenten met de deeltjesversneller LHC van CERN. Een klein verschil in massa zou een teken zijn geweest van een schending van een fundamentele symmetrie. Daarmee zou het een mogelijke aanwijzing hebben gegeven waarom in ons heelal vrijwel geen antimaterie voorkomt, terwijl tijdens de oerknal even grote hoeveelheden materie en antimaterie gevormd zouden moeten zijn. "Het mysterie van de ontbrekende antimaterie is dus nog niet opgelost, maar ook deze uitkomst brengt ons weer een stap verder", zegt prof.dr. Thomas Peitzmann van de Universiteit Utrecht. De resultaten van het onderzoek zijn deze week gepubliceerd in Nature Physics.

Thomas PeitzmannMet de deeltjesversneller LHC van CERN, de krachtigste ter wereld, kunnen Peitzmann en zijn collega's de extreme toestand van het heelal enkele microseconden na de oerknal nabootsen. Deze toestand is een gloeiend hete `oersoep' van elementaire deeltjes. In fracties van een seconde vormen deze elementaire deeltjes bepaalde atoomkernen en anti-atoomkernen - precies even veel. "Omdat we in staat waren grote hoeveelheden anti-atoomkernen te maken, konden we de massa's van beide deeltjes 10 tot 100 keer nauwkeuriger bepalen dan in eerdere experimenten is gedaan. Ook bij deze zeer grote nauwkeurigheid blijkt dat de atoomkernen en anti-atoomkernen exact dezelfde massa hebben", aldus Peitzmann.

Symmetrie

Tot nu toe lijken deeltjes en hun antideeltjes in alles hetzelfde, behalve in hun tegengestelde lading. Deze vergaande `symmetrie' wordt ook voorspeld door de bestaande theorie van elementaire deeltjes. Bij een perfecte symmetrie zou er na de oerknal evenveel materie als antimaterie moeten zijn, maar dat is dus niet zo. Dit is een belangrijke reden om deze symmetrie zo nauwkeurig mogelijk te toetsen.

" Thomas Peitzmann, hoogleraar Subatomaire fysica aan de Universiteit Utrecht Het mysterie van de ontbrekende antimaterie is dus nog niet opgelost, maar ook deze uitkomst brengt ons weer een stap verder. Thomas Peitzmann, hoogleraar Subatomaire fysica aan de Universiteit Utrecht " _____________________

Experimentele uitdaging

Natuurkundigen hebben verschillende theorieen ontwikkeld om de ontbrekende antimaterie te verklaren. Een aantal theorieen gaat uit van een kleine asymmetrie tussen materie en antimaterie. Afhankelijk daarvan zouden bepaalde eigenschappen van materie en antimaterie kunnen verschillen. Alleen is het nauwkeurig bepalen van die eigenschappen heel moeilijk, omdat antideeltjes onder normale omstandigheden op aarde niet voorkomen. Voor het maken van de anti-atoomkernen worden in het ALICE-experiment atomen van lood met bijna de lichtsnelheid op elkaar geschoten. Pas dan ontstaat een toestand zoals de `oersoep', waarin de temperatuur 2000 miljard graden is, 100.000 keer zo hoog als in de kern van de zon.

Stap verder

Een asymmetrie in de massa's van de atoomkernen lijkt dus in ieder geval de ontbrekende antimaterie niet te verklaren. Het was al bekend dat de massa van elektronen en hun antideeltjes, positronen, ook niet verschilt. "Misschien heeft de asymmetrie iets te maken met slechts een van de krachten die we kennen, bijvoorbeeld de sterke kernkracht. Elektronen en positronen voelen deze kracht niet, dus om die effecten te bepalen moet je atoomkernen onderzoeken", aldus Peitzmann. "Zeker was het spannender geweest als we wel een verschil hadden gevonden, omdat je dan het Standaard Model had moeten veranderen, maar aan de andere kant hebben we nu de symmetrie tussen materie en antimaterie wel beter begrepen."

Dit onderzoek is mede gefinancierd door FOM, NWO en de ERC.

Publicatie

Precision measurement of the mass difference between light nuclei and anti-nucleiALICE Collaboration, J. Adam et al. (co-auteurs verbonden aan de Universiteit Utrecht en NIKHEF: R. A. Bertens, C. Bianchin, S. Bjelogrlic, M. Botje, A. Caliva, P. Christakoglou, A. Dobrin, A. Dubla, A. Grelli, D. L. D. Keijdener, P. G. Kuijer, E. Leogrande, D. F. Lodato, G. Luparello, J. Margutti, A. Mischke, N. Mohammadi, G. Nooren, T. Peitzmann, C. E. Perez Lara, M. Reicher, E. Rocco, A. Rodriguez Manso, R. J. M. Snellings, D. Thomas, J. van der Maarel, M. van Leeuwen, A. M. Veen, M. Veldhoen, H. Wang, H. Yang & Y. Zhou) Nature Physics (2015), doi:10.1038/nphys3432