Een bruisend, ruw vacuüm vult de kwantumruimte en vervormt de vorm van elk waterstofatoom in het universum. En nu weten we dat het ook de bizarre wereld van antimaterie van waterstof verstoort: antiwaterstof.
Antimaterie is een weinig begrepen stof, zeldzaam in ons universum, die materie bijna perfect nabootst, maar met alle eigenschappen omgedraaid. Elektronen zijn bijvoorbeeld kleine materiedeeltjes die een negatieve lading dragen. Hun antimaterie-tweelingen zijn kleine 'positronen' met een positieve lading. Combineer een elektron en een proton (een groter, positief geladen materiedeeltje) en je krijgt een eenvoudig waterstofatoom. Combineer een antimaterie positron met een "antiproton" en je krijgt antiwaterstof. Wanneer gewone materie en antimaterie elkaar raken, vernietigen de materie en antimateriedeeltjes elkaar.
Op dit moment lijkt antimaterie de perfecte, antagonistische tweeling van materie te zijn, en een van de grote mysteries van de natuurkunde is waarom materie de ruimte ging domineren toen antimaterie een kleine speler in het universum werd. Het vinden van een verschil tussen de twee kan de structuur van het moderne universum helpen verklaren.
De lamverschuiving was een goede plek om naar dat soort verschillen te zoeken, zei Makoto Fujiwara, een Canadese deeltjesfysicus verbonden aan CERN en co-auteur van de nieuwe studie, gepubliceerd op 19 februari in het tijdschrift Nature. Kwantumfysici weten sinds 1947 van dit vreemde kwantumeffect, vernoemd naar natuurkundige Willis Lamb van de Universiteit van Arizona. Tijdens de eerste grote naoorlogse conferentie van Amerikaanse natuurkundigen onthulde Lamb dat iets ongezien in waterstofatomen op hun interne deeltjes drukt, waardoor een grotere kloof ontstaat tussen het proton en het elektron in een baan dan de bestaande nucleaire theorie toelaat.
"Grof gezegd is de lamverschuiving een fysieke manifestatie van het effect van het 'vacuüm', 'vertelde Fujiwara aan WordsSideKick.com. 'Als je normaal aan het vacuüm denkt, denk je aan' niets '. Volgens de theorie van de kwantumfysica is het vacuüm echter gevuld met de zogenaamde 'virtuele deeltjes', die voortdurend worden geboren en vernietigd. '
Dat griezelige borrelen van korte, halfrealistische deeltjes heeft echte gevolgen voor het omringende universum. En binnen waterstofatomen creëert het een druk die de twee gekoppelde deeltjes scheidt. De onverwachte ontdekking leverde Lamb de Nobelprijs van 1955 in de natuurkunde op.
Maar hoewel natuurkundigen al tientallen jaren weten dat de lamsshift waterstof veranderde, hadden ze geen idee of het ook antiwaterstof aantastte.
Fujiwara en zijn coauteurs wilden erachter komen.
"Het algemene doel van onze studies is om te zien of er enig verschil is tussen waterstof en anti-waterstof, en we weten van tevoren niet waar zo'n verschil kan optreden", vertelde Fujiwara aan WordsSideKick.com.
Om de vraag te bestuderen, verzamelden de onderzoekers nauwgezet monsters van antiwaterstof met behulp van het antihydrogen laserfysica-apparaat (ALPHA) antimaterie-experiment bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN), het gigantische laboratorium voor nucleaire fysica van het continent. ALPHA heeft een paar uur nodig om een antiwaterstofmonster te genereren dat groot genoeg is om mee te werken, zei Fujiwara.
Het zweeft de stof op in magnetische velden die materie afstoten. ALPHA-onderzoekers raakten vervolgens het gevangen anti-waterstof met laserlicht om te bestuderen hoe de antimaterie interageert met de fotonen, die verborgen eigenschappen van de kleine anti-atomen kunnen onthullen.
De ALPHA-onderzoekers herhaalden hun experiment een dozijn keer op verschillende antiwaterstofmonsters onder verschillende omstandigheden en vonden geen verschil tussen de lamverschuiving in waterstof en de lamverschuiving in antiwaterstof die hun instrumenten konden detecteren.
"Momenteel is er geen verschil bekend tussen de fundamentele eigenschappen van antiwaterstof en gewone waterstof," zei Fujiwara. 'Als we enig verschil zouden ontdekken, zelfs het kleinste bedrag, zou dit een radicale verandering in de manier waarop we ons fysieke universum begrijpen, zou forceren.'
Hoewel de onderzoekers nog geen verschillen hebben gevonden, is de anti-waterstoffysica nog een jong vakgebied. Natuurkundigen hadden tot 2002 niet eens gemakkelijk bestudeerde monsters van het spul, en ALPHA begon pas in 2011 routinematig waterstofmonsters op te vangen.
Deze ontdekking is een 'eerste stap', zei Fujiwara, maar er is nog veel meer te bestuderen voordat natuurkundigen echt zullen begrijpen hoe waterstof en antiwaterstof zich verhouden.
