In Japan hebben onderzoekers voor het eerst een antimaterie-'atoom' zich als een golf zien gedragen, een prestatie die de kwantumvreemdheid naar een nieuw niveau tilt. Het exotische object, positronium genaamd, bestaat uit een elektron en zijn antimaterie-tegenhanger, een positron, die kortstondig gebonden zijn voordat ze elkaar vernietigen. Nu hebben wetenschappers het een interferentiepatroon zien produceren, het kenmerkende signaal van een golf.
Een bizar atoom dat zichzelf vernietigt
Positronium is niet zomaar een atoom. Het ontstaat wanneer een elektron en een positron om een gemeenschappelijk massamiddelpunt draaien, en het bestaat slechts kort voordat de twee deeltjes elkaar vernietigen in een flits energie. Omdat beide componenten dezelfde massa hebben, vroegen natuurkundigen zich al lang af of zo'n systeem de golfachtige effecten zou kunnen produceren die bij andere kwantumdeeltjes worden gezien. Tot nu toe had niemand het direct waargenomen.
Hoe ze de golf vingen
Een team van de Tokyo University of Science, onder leiding van professor Yasuyuki Nagashima, bouwde een zeer gecontroleerde bundel positronium om dit te testen. Ze creëerden eerst negatief geladen positroniumionen en gebruikten vervolgens nauwkeurig getimede laserpulsen om een bundel met de juiste energie en coherentie te produceren. Toen ze die bundel door een diffractierooster schoten, produceerde het duidelijke interferentiebanden, afwisselend lichte en donkere gebieden, wat bewees dat het antimaterie-atoom zich als een golf gedroeg, waarbij zijn kwantumgolffunctie door meerdere spleten tegelijk ging.
Waarom dit lokaal en wereldwijd van belang is
Voor de onderzoekers in Japan was dit de bekroning van jaren werk aan een systeem dat berucht moeilijk te produceren en meten is. Positronium is kortlevend en fragiel, waardoor het een uitdaging is om het in een bundel te vormen die stabiel genoeg is voor diffractie-experimenten. Het team slaagde waar anderen faalden, en hun resultaten werden gepubliceerd in Nature Communications. De prestatie is belangrijk omdat het bevestigt dat golf-deeltje-dualiteit, een hoeksteen van de kwantummechanica, ook geldt voor materie-antimaterieparen. Maar de echte opwinding ligt in het verschiet: positronium is neutraal en ongevoelig voor elektrische velden, waardoor het een ideale kandidaat is voor experimenten die kunnen testen hoe antimaterie reageert op zwaartekracht, iets wat nooit direct is gemeten.
Een deur gaat open voor zwaartekrachttests met antimaterie
Deze eerste waarneming van kwantuminterferentie in positronium beantwoordt niet de grote vragen over antimaterie en zwaartekracht, maar het biedt het instrument om ze te gaan stellen. Door aan te tonen dat positroniumbundels duidelijke golfpatronen kunnen produceren, heeft het Tokyo-team laten zien dat deze exotische atomen kunnen worden gemanipuleerd en gemeten met voldoende precisie voor toekomstige experimenten. Of antimaterie omhoog of omlaag valt blijft onbekend, maar nu is er een weg om dat uit te vinden.
