De plaats is Engeland. Het jaar is 1928. Een van de grondleggers van de kwantummechanica, Paul Dirac, krabt zich op het hoofd omdat oplossingen voor zijn vergelijkingen onverwachte resultaten hebben opgeleverd. Om de oplossingen zinvol te laten zijn, zo redeneert hij, moet er een deeltje bestaan dat de massa van een elektron heeft maar de tegengestelde lading.

Er gaan enkele jaren voorbij voordat de Amerikaanse natuurkundige Carl Anderson een “positief” elektron, of positron, waarneemt dat Diracs voorspelling bevestigt.

Bijna 80 jaar later worden positronen en andere antideeltjes nog steeds bestudeerd om te proberen een antwoord te vinden op fundamentele vragen over het heelal en de materie die het bevat. Antimaterie kan, zoals de naam al aangeeft, worden omschreven als het tegendeel van gewone materie. Elk deeltje in het heelal heeft kenmerken zoals massa en lading. Bij antimaterie blijft de massa constant, maar wordt het teken van de lading omgedraaid. Alle deeltjes hebben een tegenhanger van antimaterie, zelfs het ongeladen neutron (waarvan de samenstellende quarks wel een lading hebben; het antineutron is samengesteld uit antiquarks).

In tegenstelling tot materie komt antimaterie niet veel voor. Tenzij je in de bovenste atmosfeer bent, of in een deeltjesversneller, zul je er niet over struikelen. “Antimaterie was niet altijd zo zeldzaam,” zegt Stéphane Coutu, deeltjesfysicus in Penn State. Er was een tijd dat het net zo overheersend was als materie zelf. “Vlak na de oerknal”, legt Coutu uit, “geloven we dat er precies evenveel materie als antimaterie moet zijn geweest… en toch is door een kleine asymmetrie in de wetten van de deeltjesinteracties alle antimaterie en het grootste deel van de materie in het vroege heelal vernietigd. We zitten nu met het resulterende door materie gedomineerde universum.” De studie van materie-antimaterie-interacties is dus een glimp van de eerste momenten van een ontluikend heelal.

Om zijn antimaterie-onderzoek uit te voeren, stuurt Coutu geavanceerde detectoren naar de rand van de atmosfeer aan ballonnen op grote hoogte. Hij zoekt naar antimaterie in de kosmische straling die neervalt op de aarde. Deze antimaterie kan een signatuur zijn voor allerlei deeltjesinteracties die in ons melkwegstelsel plaatsvinden.

Sommige natuurkundigen bestuderen antimaterie die in de natuur wordt geproduceerd, in plaats daarvan door er zelf een te maken in een deeltjesversneller. Wanneer gewone deeltjes worden versneld tot zeer hoge snelheden en vervolgens met elkaar in botsing komen, legt Coutu uit, kunnen antideeltjes worden voortgebracht uit de daaropvolgende hoogenergetische explosies. Deze antideeltjes zijn echter van korte duur en ontmoeten steevast hun evenknie van gewone materie in een destructief proces dat annihilatie wordt genoemd.

Annihilatie betekent niet dat de deeltjes volledig verdwijnen, maar alleen dat hun energie in een andere vorm wordt overgebracht, voegt hij eraan toe.

Sciencefiction staat bol van verhalen over de vernietiging van hoogenergetische deeltjes, en antimateriewapens komen zelfs voor in de huidige bestsellers. Dit is onrealistisch, zegt Coutu. “Het zou zeer onpraktisch zijn om grote hoeveelheden antimaterie te produceren en te bewaren.

Technologie die gebruik maakt van de eigenschappen van antimaterie is buiten science fiction echter wel degelijk haalbaar. Positron emissie tomografie (PET) is een medische techniek die kan worden gebruikt om kanker op te sporen, de bloedstroom te meten en coronaire hartziekte op te sporen. Bij PET-scans wordt “een kleine hoeveelheid radioactieve stof in een persoon geïnjecteerd, die positronen produceert wanneer hij in het lichaam vervalt,” legt Coutu uit. “Door het detecteren van de hoogenergetische fotonen (gammastralen) die bij de annihilatie van positronen met elektronen in het lichaam worden geproduceerd, kan in kaart worden gebracht waar de stof zich in het lichaam heeft verspreid.” Hoewel antimaterie misschien nooit als bom zal worden gebruikt, heeft het zeker een positieve toekomst in levensreddende medische diagnostische instrumenten, het anti-wapen.