Experimenten met de deeltjesversneller van CERN wijzen erop dat antideeltjes die diep in de ruimte zijn ontstaan uit donkere materie, de aarde kunnen bereiken.
Antimaterie die heel ver weg ontstaat, zou lastig te vinden moeten zijn. Het verdwijnt zodra het gewone materie tegenkomt, en hoe meer ruimte het doorkruist, hoe groter de kans is dat dat gebeurt. Maar een experiment in een deeltjesversneller suggereert nu dat sommige antimateriedeeltjes toch door ons sterrenstelsel kunnen reizen zonder vernietigd te worden.
In de ruimte zouden antimaterieversies van heliumatoomkernen – antihelium – kunnen ontstaan als kosmische straling botst met vrij zwevende atomen. Volgens sommige theorieën ontstaan die kernen óók bij botsingen van donkere-materie-deeltjes (donkere materie is de mysterieuze stof waar een groot deel van het heelal uit bestaat). Als deze antimaterie gedetecteerd kan worden, kan het eigenschappen van donkere materie aan het licht brengen.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Deeltjesversneller
Deeltjesfysicus Stefan Königstorfer van de Technische Universiteit van München in Duitsland wilde nagaan of antimateriekernen die op deze manier zijn ontstaan, in detectoren nabij de aarde terecht zouden kunnen komen. Hij werkte daarvoor samen met collega’s van de deeltjesversneller van CERN.
Eerst maten de natuurkundigen hoeveel antiheliumkernen worden vernietigd als zij op gewone materie in een deeltjesversneller botsen. Met behulp van de ALICE-detector (wat staat voor A Large Ion Collider Experiment) analyseerden zij botsingen van zeer hoogenergetische protonen en geladen atomen, waarbij zowel helium- als anti-heliumkernen ontstaan. Beide moeten in gelijke aantallen ontstaan. De onderzoekers telden hoeveel kernen er te meten waren. Daaruit konden ze afleiden hoeveel antimateriekernen verdwenen waren in het staal, koolstof en de andere materialen waaruit de ALICE-detector bestaat.
Deze ‘verdwijnkans’ werd vervolgens gebruikt in een computersimulatie van de reis van antimaterie naar de aarde vanuit de verre ruimte, bijvoorbeeld uit het centrum van ons sterrenstelsel. Uit simulaties van antimateriekernen die ontstaan uit donkere materie, bleek dat ongeveer de helft van deze deeltjes ongeschonden in de buurt van de aarde zouden belanden, zelfs na een reis van duizenden triljoenen kilometers.
Kosmische straling
De onderzoekers simuleerden ook het ontstaan van antimateriekernen door kosmische straling. Er wordt aangenomen dat dat op minder plaatsen in het heelal gebeurt. Aangenomen wordt ook dat die straling doorgaans een hogere energie heeft dan de donkere materie, en dat geldt dus ook voor de energie van de daaruit ontstane antimateriekernen. De onderzoekers ontdekten dat alleen de meest energetische antimateriekernen de aarde in grote aantallen zouden bereiken.
Dit toont aan dat alle anti-heliumkernen met lage energie die we op aarde ontdekken, waarschijnlijk afkomstig zijn van donkere materie, aldus astrodeeltjesfysicus Jonas Tjemsland van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Trondheim. ‘Dit experiment zegt dat als een astrofysisch object om welke reden dan ook antihelium produceert, we dat in de buurt van de aarde kunnen detecteren met standaarddetectoren. En de signaal-ruisverhouding zal zeer hoog zijn voor donkere materie’, zegt donkere-materie-onderzoeker Tim Linden van de Universiteit van Stockholm in Zweden.
Deel van de puzzel
Begrijpen hoe antimateriekernen een interactie aangaan met gewone materie in het heelal is één deel van de puzzel. De CERN-deeltjesversneller zou daarnaast ook kunnen onderzoeken hoe ze ontstaan, zegt astrodeeltjesfysicus Stefano Profumo van de Universiteit van Californië in Santa Cruz. Hij zegt dat beter begrip onderzoekers kan helpen bij het verfijnen van theorieën over donkere materie.
Königstorfer en collega’s zijn nu zulke experimenten aan het plannen. Het experiment van de Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), gemonteerd op het internationale ruimtestation ISS, zou al antimateriedeeltjes moeten kunnen detecteren. Een andere geschikte detector, de General AntiParticle Spectrometer, die aan een ballon boven de Zuidpool zweeft, kiest binnenkort ook het luchtruim.
