Antihelium geproduceerd

Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten ontstaat er een enorme explosie. Bestaan er grote hoeveelheden antimaterie in het heelal? Als dat zo is, weten we nu hoe we dat uit kunnen vinden.

Naast materie bestaat er ook antimaterie. Voorspeld door kwantumgrootheid Paul Dirac als een ‘gat’ in de Diraczee van elektronen, was het positron, een anti-elektron, het eerste antimateriedeeltje ooit dat is ontdekt. De Diraczee wordt nu als model wat minder elegant gevonden, maar het positron bleek een blijvertje. Er volgden snel meer ontdekkingen: ook protonen en neutronen blijken antimaterie-tegenhangers te hebben. Antiprotonen en antineutronen zijn opgebouwd uit antiquarks. Er bestaan ook antineutrino’s. Het foton is zijn eigen antideeltje.

Totale vernietiging
Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar totaal. Letterlijk alle massa wordt compleet omgezet in energie in de vorm van elektromagnetische straling. Zelfs bij kernfusie, het energierijkste proces dat we in de praktijk kennen, wordt ‘maar’ 0,7% van alle massa in energie omgezet. Als één gram materie en antimaterie in energie wordt omgezet, komt evenveel energie vrij als bij de kernexplosie in Hiroshima.

Anti-atomen
Uit antimateriedeeltjes zijn atomen te bouwen, waarin positronen met antiprotonen (en eventueel antineutronen in de kern) een atoom vormen. Het kost extreem veel energie om antimaterie te produceren. Als gevolg hiervan zijn antimateriedeeltjes extreem heet en is het zeer lastig om ze samen te laten voegen tot atomaire materie. Het is in 2010 gelukt met antiwaterstof, bestaande uit een antiproton met een positron.

Antihelium: zeer lastig te fabriceren, toch geslaagd
Antimaterie moet letterlijk vanaf de basis, kerndeeltje bij kerndeeltje, worden opgebouwd. Vooral twee geladen antiprotonen bij elkaar brengen is extreem lastig. Antihelium bestaat uit twee antiprotonen en twee antineutronen. Met “gewone” materie is dit al uiterst lastig – de reden dat kernfusie nog steeds niet als energiebron kan worden gebruikt.

Dus werd door de onderzoekers besloten domweg uiterst bruut geweld toe te passen. Helaas kost elk extra antiproton of antineutron in een antimateriekern die op deze manier wordt vervaardigd, duizend keer zoveel energie.
Een miljard goudkernen werd met bijna de lichtsnelheid (een energie van 200 miljard elektronvolt per goudkern) op elkaar gebeukt in de Relativistic Heavy Ion Collider van het Amerikaanse onderzoekslaboratorium Brookhaven. Het brute geweld had resultaat: achttien antihelium-4 kernen. Daardoor weten we dat antihelium bestaat en hoe het zich fysisch gedraagt.

Sterren van antimaterie?
Dat laatste is belangrijk. Volgens sommige (overigens niet erg populaire) theorieën bevinden zich elders in het heelal grote concentraties antimaterie. De aanwezigheid hiervan zou je kunnen vaststellen uit kosmische straling. We weten nu dat antihelium-4 bestaat en dat het een biljoen maal minder voor moet komen dan antiwaterstof, als er in dit heelal alleen materie op grote schaal voorkomt.

Bestaan er ook antimateriesterren en -planeten, dan moet deze verhouding in de kosmische straling hoger zijn, want ongeveer een kwart van alle massa in atomen is helium. Dat zou ook voor antimaterie gelden. Het bestaan van grote hoeveelheden antimaterie zou kosmologisch en natuurkundig grote consequenties hebben. Ook weten we dan in de verre toekomst waar we aan werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie kunnen komen.

Bronnen
ArXiv
ArXiv Blog