Antistof

Antimaterie kan sende fysikken i fritt fall

Fysikere har nå klart å kjøle antimaterie så langt ned at de kan måle hvordan tyngdekraften virker på det. Resultatet vil vise om fysikkens grunnleggende teorier holder stikk – og kan kanskje til og med forklare hvorfor universet eksisterer.

Fysikere har nå klart å kjøle antimaterie så langt ned at de kan måle hvordan tyngdekraften virker på det. Resultatet vil vise om fysikkens grunnleggende teorier holder stikk – og kan kanskje til og med forklare hvorfor universet eksisterer.

Shutterstock og BiM

For 13,8 milliarder år siden oppsto alt fra et punkt i ingenting. En enorm energi ble utløst og blåste opp det nyfødte universet med en ufattelig hastighet.

Med utvidelsen ble universet avkjølt nok til at noe av energien ble fortettet til partikler. Men sekundet etter utslettet de hverandre igjen og etterlot seg et univers som for alltid ville være tomt. Ingen gasser, støvskyer, stjerner, planeter eller galakser – bare energi, ingen materie.

Det burde vært hele historien om universet – i hvert fall ifølge fysikernes teorier, som sier at når energi omsettes til partikler, dannes det like mange partikler av materie og antimaterie. Og når de to møtes, utsletter de hverandre og blir til energi igjen.

Derfor er det en gåte at universet i dag fortsatt inneholder materie, og at vi i det hele tatt eksisterer. Og gåten kan bare løses ved å undersøke hva som har skjedd med antimaterien som mangler i regnestykket.

Forsøkene kan avsløre grunnleggende forskjeller på materie og antimaterie.

Svaret kan skjule seg i noen ganske små forskjeller på materie og antimaterie, og det er dette fysikere ved det europeiske forskningssenteret for partikkelfysikk, CERN, nå er på jakt etter.

Forskere går i Galileis fotspor

Ved å kjøle antimaterie ekstremt langt ned har de fått nye muligheter til å studere det i detalj, og resultatene kan enten oppklare hvor den manglende antimaterien har blitt av, eller avsløre om det er noe helt galt med fysikernes grunnleggende teorier.

Eksperimentene, som kalles ALPHA, skal blant annet vise om tyngdekraften virker på nøyaktig samme måte på materie og antimaterie.

Ut fra fysikernes såkalte standardmodell burde det være slik fordi en partikkel og en antipartikkel er speilbilder av hverandre. Et proton og et antiproton har samme masse, men motsatt ladning og spinn. Det samme gjelder for elektronet, som har en antipartikkel som kalles et positron. Protonet og elektronet danner et hydrogenatom, mens resultatet kalles antihydrogen når et antiproton og et positron går sammen.

Ifølge teorien er antimaterien et perfekt speilbilde av materien. Det betyr blant annet at partiklene i antimaterie har like sterke elektriske ladninger som materiepartiklene, men med motsatt fortegn.

Antistof
© Claus Lunau

Hydrogen har ett positivt ladet proton i kjernen og ett negativt ladet elektron i bane rundt.

Antistof
© Claus Lunau

Antihydrogen har ett negativt ladet antiproton i kjernen og ett positivt ladet positron i bane rundt.

Materie- og antimateriepartikler er ifølge standardmodellen underlagt en bestemt symmetri som kalles CPT. Hvis det viser seg å være en grunnleggende forskjell på dem – for eksempel at de oppfører seg ulikt i et gravitasjonsfelt – er det et brudd på symmetrien, og det vil ødelegge for standardmodellen.

Det står derfor veldig mye på spill når forskerne i Alpha-prosjektet tester tyngdekraftens virkning på antimaterien.

Forskernes framgangsmåte minner på mange måter om de forsøkene Galileo Galilei foretok for over 400 år siden.

Galilei

Galilei viste med fallforsøkene sine at alle legemer påvirkes likt av tyngdekraften – i hvert fall hvis de er lagd av materie.

© Look and Learn/Bridgeman Images

Galilei gjennomførte utallige falleksperimenter der han viste at tunge legemer faller like raskt som lette legemer.

Ifølge overleveringen lot han to jernkuler falle fra det skjeve tårn i Pisa for å underbygge teoriene sine, men egentlig var forsøkene hans mye mer detaljerte og langvarige.

Gjennom flere tiår trillet han kuler nedover små ramper han hadde fått bygd til formålet, og førte detaljerte opptegnelser over hvor langt tid de brukte på å rulle ned.

Da han var ferdig, hadde han ikke bare vist at ting faller like raskt uansett hvor tunge de er og hva de er lagd av. Han hadde også vist framtidige generasjoner naturforskere hvordan man bør drive vitenskap: gjennom nøyaktige eksperimenter med detaljerte opptegnelser.

Liten forskjell kan forklare universet

Tross sin grundighet hadde ikke Galilei mulighet til å bruke antimaterie i sine forsøk. Antimaterie ble først forutsagt i 1928 av den britiske fysikeren Paul Dirac, og den første antipartikkelen, positronet, ble eksperimentelt påvist fire år senere.

Det vil være svært overraskende for fysikerne hvis antimaterie faller oppover.

Senere har det store spørsmålet vært om Galileis lovmessigheter også omfatter antimaterie. Kunne det for eksempel være at antimaterie faller «feil vei», altså oppover? Det høres merkelig ut, men faktisk er det en mulighet, selv om fysikerne ikke tror det vil skje.

Men også mindre forskjeller kan være avgjørende. Det kan være ganske små forskjeller i partiklenes såkalte kvantetall, slik at antimateriepartikler påvirkes litt annerledes av tyngdekraften enn tilsvarende materiepartikler. Kanskje faller de en anelse raskere eller langsommere i et gravitasjonsfelt.

Det kan kanskje være årsaken til at det like etter big bang oppsto et lite overskudd av materiepartikler. Fysikerne har regnet ut at hvis bare en av ti milliarder materiepartikler overlevde et sekund etter big bang, så kan resten – altså det universet vi kan se i dag – forklares med de teoriene vi kjenner.

For å finne årsaken til den lille forskjellen må forskerne ved Alpha kunne kontrollere den flyktige antimaterien lenge nok til at de kan foreta eksperimenter med det. Under forsøkene kan ikke antimateriepartiklene komme i kontakt med materiepartikler, og derfor foregår eksperimentene i vakuumtanker som er helt tømt for luft.

Med sterke magneter kan forskerne holde antimaterien svevende, slik at den ikke treffer innsiden av tankene. Og som nå kan de også manipulere antimaterien med ultrafiolette laserstråler.

Laserlys bremser antimaterien

Akkurat som for vanlig materie er temperaturen til antimaterie et uttrykk for hvor raskt partiklene beveger seg. Når antimateriepartiklene er skapt i en av CERNs partikkelakseleratorer, har de en hastighet på opptil 90 meter per sekund. Men nye forsøk har vist at det er mulig å senke hastigheten til bare 10 meter per sekund ved hjelp av den såkalte dopplermetoden.

Antistof

I denne maskinen hos CERN har forskere lyktes med ekstrem nedkjøling av antihydrogen ved hjelp av ultrafiolette laserstråler.

© CERN

Metoden utnytter det fenomenet at en bølges frekvens endrer seg når avstanden mellom avsenderen av bølgen og mottakeren endres.

Hvis mottakeren for eksempel beveger seg vekk fra avsenderen, vil bølgene i det lyset som treffer mottakeren, bli trukket ut. Dermed faller frekvensen slik at lyset blir rødforskjøvet. Og omvendt: Hvis mottakeren beveger seg når det går mot avsenderen, vil bølgene bli presset sammen slik at frekvensen øker, og lyset blir blåforskjøvet.

I Alpha-forskernes nye nedkjølingstank er laserens frekvens stilt inn så smart at den bare påvirker de antiatomene som mottar laserlyset som blåforskjøvet – altså de antiatomene som beveger seg når det går mot laseren. De absorberer lyspartiklene som strømmer mot dem, og mister dermed fart.

Antiatomer som enten står stille eller beveger seg vekk fra laseren, skjer det ingenting med. Samlet sett vil antiatomenes hastighet derfor falle – og dermed også temperaturen.

Når forskerne på den måten har kjølt ned antihydrogenet til en temperatur nær det absolutte nullpunktet, ledes den videre til en loddrett vakuumtank der selve fallforsøkene skal foregå.

Eksperimentet er nesten det samme som det Galilei utførte. Forskerne lar rett og slett antiatomene falle ned gjennom vakuumtanken og måler hvor raskt de treffer bunnen.

Og de vil ikke være i tvil om når det skjer. Når antiatomene møter de vanlige atomene i bunnen av tanken, utslettes de og sender ut ren energi i form av stråling som lett kan måles.

Faldtank

Forskerne i Atlas-prosjektet holder på å legge siste hånd på den tanken der de vil gjennomføre fallforsøkene med antihydrogen.

© Maximilien Brice/CERN

Hvis fallforsøkene ved CERN viser at antimaterie påvirkes annerledes av tyngdekraften enn materie gjør, får fysikerne det travelt med å regne på om det kan gi forklaringen på overskuddet av materie i universet.

I motsatt fall ligger kanskje svaret i forsøk som undersøker andre egenskaper ved antimaterie – for eksempel om antiatomer tar opp og sender ut energi på nøyaktig samme måte som vanlige atomer.

Hvis forklaringen heller ikke ligger her, finnes det enda en mulighet: At den manglende antimaterien fortsatt finnes ett eller annet sted i universet i form av antistjerner og antiplaneter.

Astronomer jakter på antistjerner

Frem til for kort tid siden avskrev de fleste fysikere denne muligheten som ren science fiction, men de siste par årene har et annet eksperiment, AMS, på Den internasjonale romstasjonen, fanget opp en rekke mystiske partikler, atomer av antihelium, som kanskje vil endre forståelsen vår av universet.

AMS

Partikkeldetektoren AMS på Den internasjonale romstasjonen har fanget opp kjerner av antihelium som kanskje kan være skapt av fusjonsprosessen i antistjerner.

© NASA

Det er en dagligdags hendelse å se enkle antiprotoner fra verdensrommet, der de dannes i en rekke ulike kjente prosesser.

Men antiheliumatomer som inneholder tre eller fire kjernepartikler, er så vanskelige å danne og holde stabile at forskerne ikke hadde regnet med å se noen av dem – med mindre de kommer direkte fra antistjerner, altså stjerner som består av antimaterie.

Tanken om antistjerner kan virke veldig eksotisk, men teoretisk sett er det ikke noe i veien for at de kan eksistere. På avstand vil de ligne vanlige stjerner av materie, og de indre prosessene vil være de samme. De vil bare fusjonere antihydrogen til antihelium i stedet for hydrogen til helium.

Den eneste muligheten vi har for å identifisere antistjernene, er å observere sammenstøtene mellom de antipartiklene de sender ut, og vanlige partikler i omgivelsene.

En stjerne som består av antimaterie – og dermed er en antistjerne – vil ligne alle andre stjerner. Men når partikler fra den møter vanlige materiepartikler, sender sammenstøtene ut avslørende stråling.

Antistof
© Claus Lunau

1. Antistjerne sender ut solvind

Vanlige stjerner sender ut solvind i form av partikler med elektrisk ladning, først og fremst protoner og elektroner. Hvis antistjerner finnes, vil de også sende ut solvind, men den vil bestå av antiprotoner og positroner (elektronets antipartikkel).

Antistof
© Claus Lunau

2. Antimaterie møter materie

Rundt antistjernen vil solvinden av antipartikler møte partikler, for eksempel i solvinden fra vanlige stjerner. Når de møtes, utsletter de hverandre i en voldsom energiutladning i form av gammastråling.

Antistof
© Claus Lunau

3. Strålingen analyseres

Romteleskopet Fermi måler gammastråling fra stjerner i hele Melkeveien. Hvis gammastrålingen fra en stjernes nærområder er ekstra sterk, og det ikke er andre gode forklaringer på det, markeres stjernen som en mulig antistjerne.

Ved kollisjonene vil partikler og antipartikler utslette hverandre og frigi energi i form av gammastråling. Med romteleskopet Fermi kan strålingen måles, og nylig har forskere ved Universitetet i Toulouse i Frankrike gransket Fermis målinger fra alle stjerner i Melkeveien for å finne mulige antistjerner.

Resultatet var 14 kandidater som sendte ut gammastråling med en styrke som forskerne ikke har andre forklaringer på.

Rumteleskopet Fermi

Romteleskopet Fermi har kartlagt gammastråling fra alle områder av Melkeveien. Ved hjelp av kartet har forskere funnet 14 sterke gammakilder som kanskje er stjerner av antimaterie.

© LAT Collaboration/Fermi/DOE/NASA & Claus Lunau

Om de 14 gammakildene virkelig er antistjerner som er bygd av antimaterie fra universets fødsel, er fortsatt veldig usikkert. Men skulle det vise seg å være tilfellet, må big bang-teorien revideres.

Det er dermed ikke bare fysikernes standardmodell som blir utfordret når CERN-forskerne tar fatt på de nye antimaterieeksperimentene. Det samme gjelder kosmologenes teori om universets opprinnelse og utvikling.