Advertentie
Wetenschappers die samenwerken met de AEgIS-samenwerking, onder leiding van professor Christoph Hugenschmidt van de Technische Universiteit München (TUM), hebben een nieuwe detector ontwikkeld die in staat is om antimaterie-annihilatiepunten in realtime in beeld te brengen. Dit apparaat, beschreven in een studie gepubliceerd in Science Advances, kan met een nauwkeurigheid, tot op 0,6 micrometer (submicrometerresolutie), vaststellen waar antiprotonen materie vernietigen. Dit is 35 keer nauwkeuriger dan eerdere realtime beeldvormingsmethoden.
Het AEgIS-experiment maakt deel uit van het onderzoek dat plaatsvindt in de Antimateriefabriek van CERN, waar teams proberen te meten hoe antiwaterstof zich gedraagt onder invloed van de zwaartekracht van de aarde en de zwaartekrachtversnelling. Het 'Antiwaterstof Experiment: Zwaartekracht, Interferometrie, Spectroscopie' (AEgIS) is een samenwerkingsverband tussen natuurkundigen uit heel Europa en India. In de huidige fase gebruikt het experiment antiprotonen van de Antiproton Decelerator om een gepulseerde bundel antiwaterstofatomen te genereren. AEgIS doet dit door een horizontale antiwaterstofstraal te produceren en de verticale bewegingen ervan te controleren met speciale instrumenten zoals de 'moiré-deflectometer'. De nieuw ontwikkelde detector registreert deze annihilatiepunten om kleine veranderingen in het pad van de straal, veroorzaakt door de zwaartekracht, te begrijpen.
Francesco Guatieri, de hoofdwetenschapper achter de studie, legde uit waarom de hoge resolutie essentieel is. "Om het AEgIS-experiment te laten slagen, hebben we een detector nodig met extreem nauwkeurige beeldvorming. De camerasensoren die we gebruikten, hebben pixels kleiner dan één micrometer. Door 60 van deze sensoren te combineren, hebben we een detector gecreëerd met een indrukwekkende resolutie van 3840 megapixels - het hoogste aantal pixels van alle beelddetectoren tot nu toe." Voorheen waren onderzoekers afhankelijk van fotografische platen, die geen realtime informatie konden leveren.
De nieuwe detector lost dit probleem op en biedt een vergelijkbare of betere beeldkwaliteit. Om de detector te maken, gebruikte het team commerciële smartphonecamerasensoren, die al hadden aangetoond dat ze laagenergetische positronen in realtime konden detecteren. Ze moesten echter grote aanpassingen aan de sensoren doen door bepaalde lagen te verwijderen die speciaal voor mobiele telefoonelektronica waren ontworpen. Deze stap vereiste geavanceerde techniek en een zorgvuldig ontwerp.
Interessant genoeg speelde menselijke input een grote rol in deze doorbraak. Het team vertrouwde op handmatige analyse door collega's om de antiproton-annihilatiepunten in meer dan 2500 afbeeldingen nauwkeurig in kaart te brengen. Hoewel dit proces tijdrovend was – tot wel 10 uur per set – presteerde het nauwkeuriger dan geautomatiseerde methoden.
De ongelooflijke nauwkeurigheid van de detector zou wetenschappers ook helpen bij het bestuderen van verschillende deeltjes die tijdens annihilatie ontstaan. Door de sporen te meten die zijn achtergelaten, kunnen ze vaststellen of deze door protonen of pionen zijn veroorzaakt. Deze nieuwe mogelijkheid heeft nieuwe mogelijkheden geopend voor het bestuderen van laagenergetische antimaterie-interacties.
AEgIS-woordvoerder Ruggero Caravita benadrukte het belang van deze ontwikkeling. "De buitengewone resolutie stelt ons ook in staat om onderscheid te maken tussen verschillende annihilatiefragmenten. De nieuwe detector maakt de weg vrij voor nieuw onderzoek naar annihilatie van laagenergetische antideeltjes en is een baanbrekende technologie voor het observeren van de kleine verschuivingen in antiwaterstof veroorzaakt door zwaartekracht."
Hoewel er meer onderzoek nodig is om het volledige potentieel ervan te ontdekken, wordt de detector nu al geprezen als een baanbrekende ontwikkeling in de experimentele natuurkunde.
Wat is antimaterie?
Voor al het materie in het universum bestaat er een 'anti-materie'. Antimaterie is in bijna alle opzichten identiek aan gewone materie, alleen is de 'lading' tegenovergesteld. Als voorbeeld wordt vaak de elektron genoemd, een deeltje met een negatieve lading. De anti-elektron wordt een positron genoemd en heeft dus een positieve lading. Antimaterie komt onder normale omstandigheden op aarde voor. Het wordt gemaakt in het laboratorium of een deeltjesversneller, of het ontstaat bij kernreacties. Bij een PET-scan wordt gebruikgemaakt van radioactieve stoffen die een positron (anti-elektron) uitzenden ten gevolge van een kernreactie. Meestal maakt men één soort antideeltjes, maar in 2002 is het CERN gelukt antiprotonen en positronen te combineren tot antiwaterstofatomen en hun eigenschappen te bestuderen. Ze bleken zich net zoals gewone waterstof te gedragen.