Antistof

Antistof kan sende fysikken i frit fald

Det er nu lykkedes fysikere at nedkøle antistof så meget, at de kan måle, hvordan tyngdekraften virker på det. Resultatet vil vise, om fysikkens basale teorier holder stik – og kan måske endda forklare, hvorfor universet eksisterer.

Det er nu lykkedes fysikere at nedkøle antistof så meget, at de kan måle, hvordan tyngdekraften virker på det. Resultatet vil vise, om fysikkens basale teorier holder stik – og kan måske endda forklare, hvorfor universet eksisterer.

Shutterstock og BiM

For 13,8 milliarder år siden opstod alting fra et punkt i ingenting. En enorm energi blev udløst og blæste det nyfødte univers op med en ufattelig hastighed.

Med udvidelsen blev universet afkølet nok til, at noget af energien blev fortættet til partikler. Men sekundet efter udslettede de allesammen hinanden igen og efterlod et univers, som for altid ville være tomt. Ingen gasser, støvskyer, stjerner, planeter eller galakser – bare et energifyldt rum uden stof.

Så kort burde universets historie kunne fortælles – i hvert fald ifølge fysikernes teorier, som siger, at når energi omsættes til partikler, dannes der lige mange stofpartikler og antistofpartikler. Og når de to ting mødes, udsletter de hinanden og bliver til energi igen.

Derfor er det en gåde, at universet i dag stadig rummer stof, og at vi overhovedet eksisterer. Og gåden kan kun løses ved at undersøge, hvad der er blevet af det antistof, som mangler i regnestykket.

Forsøgene kan afsløre grundlæggende forskelle på stof og antistof.

Svaret kan skjule sig i nogle ganske små forskelle på stof og antistof, og dem er fysikere ved det europæiske forskningscenter for partikelfysik CERN nu gået på jagt efter.

Forskere går i Galileis fodspor

Ved at køle antistof voldsomt ned har de fået nye muligheder for at studere det i detaljer, og resultaterne kan enten opklare, hvor det manglende antistof er blevet af, eller om der er noget helt galt med deres basale fysiske teorier.

Eksperimenterne, som under et kaldes ALPHA, skal bl.a. vise, om tyngdekraften virker på præcis samme måde på stof og antistof.

Ud fra fysikernes såkaldte standardmodel burde det være sådan, fordi en partikel og dens antipartikel er spejlbilleder af hinanden. En proton og en antiproton har ens masse, men modsat ladning og spin. Det samme gælder for en elektron og dens antipartikel, positronen. Og ligesom protonen og elektronen sammen danner et brintatom, er resultatet antibrint, når en antiproton og en positron går sammen.

Ifølge teorien er antistof et perfekt spejlbillede af stof. Det betyder bl.a., at de atomare partikler i antistof har lige så stærke elektriske ladninger som stofpartikler, men bare med modsat fortegn.

Antistof
© Claus Lunau

Brint består af en positivt ladet proton i kernen, som omkredses af en negativt ladet elektron.

Antistof
© Claus Lunau

Antibrint har en negativt ladet antiproton i kernen, som omkredses af en positivt ladet positron.

Stof- og antistofpartikler er ifølge standardmodellen underlagt en bestemt symmetri kaldet CPT. Hvis der viser sig at være en grundlæggende forskel på dem, fx at de opfører sig forskelligt i et tyngdefelt, er det et brud på symmetrien, og det vil trække tæppet væk under standardmodellen.

Der er derfor meget på spil, når forskerne i ALPHA-projektet tester tyngdekraftens virkning på antistoffet.

Forskernes fremgangsmåde minder på mange måder om de forsøg, Galileo Galilei foretog for over 400 år siden.

Galilei

Galileo Galilei viste med sine faldforsøg, at alle objekter påvirkes ens af tyngdekraften – i hvert fald hvis de er lavet af stof.

© Look and Learn/Bridgeman Images

Galilei gennemførte utallige faldeksperimenter, hvor han viste, at tunge objekter falder lige så hurtigt som lette objekter.

Ifølge overleveringen lod han to jernkugler falde fra Det Skæve Tårn i Pisa for at demonstrere sine resultater, men i virkeligheden var hans forsøg meget mere detaljerede og langvarige.

Over årtier trillede han kugler ned ad små ramper, han havde fået fremstillet til formålet, og førte detaljerede optegnelser over den tid, det tog kuglerne at rulle ned.

Da han var færdig, havde han ikke bare vist, at ting falder lige hurtigt, uanset hvor tunge de er, og hvad de er lavet af. Han havde også vist de følgende generationer af naturforskere, hvordan ordentlig videnskab bør bedrives – gennem nøjagtige eksperimenter med detaljerede optegnelser.

Lille forskel kan forklare universet

Trods sin grundighed havde Galilei ingen mulighed for at inddrage antistof i sine forsøg. Eksistensen af antistof blev først forudsagt i 1928 af den britiske fysiker Paul Dirac, og den første antipartikel, positronen, blev eksperimentelt dokumenteret fire år senere.

Det vil overraske de fleste fysikere, hvis antistof falder opad.

Siden har det store spørgsmål været, om Galileis lovmæssigheder også omfatter antistof. Kunne det fx være, at antistof falder “den forkerte vej”, altså opad? Det lyder skørt, men rent faktisk er det en mulighed, selvom de færreste fysikere tror det.

Men mindre kan også gøre det. Der kan være ganske små forskelle i partiklernes såkaldte kvantetal, som betyder, at antistofpartikler påvirkes en smule anderledes af tyngdekraften end deres tilsvarende stofpartikler. Måske falder de en anelse hurtigere eller langsommere i et tyngdefelt.

Hvis det er tilfældet, er det måske årsagen til, at der lige efter big bang opstod et lille overskud af stofpartikler. Fysikerne har regnet ud, at hvis blot én ud af ti milliarder stofpartikler overlevede ét sekund efter big bang, så kan resten – dvs. det univers, vi kan se i dag – forklares med de teorier, vi kender.

For at finde årsagen til den lille forskel er forskerne ved ALPHA nødt til at have styr på det flygtige antistof længe nok til, at de kan foretage eksperimenter med det. Under forsøgene må antistofpartiklerne ikke komme i kontakt med stofpartikler, og derfor foregår eksperimenterne i vakuumtanke, som er helt tømt for luft.

Med stærke magneter kan forskerne holde antistoffet svævende, så det ikke rammer tankenes indersider. Og som noget nyt kan de bringe antistoffet i ro med ultraviolette laserstråler.

Laserlys bremser antistoffet

Ligesom ved almindeligt stof er antistofs temperatur udtryk for, hvor hurtigt de atomare partikler bevæger sig. Når antistofpartiklerne er skabt i en af CERN’s partikelacceleratorer, har de en hastighed på op til 90 meter pr. sekund. Men nye forsøg har vist, at det er muligt at sænke hastigheden til kun 10 meter pr. sekund ved hjælp af den såkaldte dopplermetode.

Antistof

I denne maskine hos CERN er det lykkedes forskere at køle antibrint voldsomt ned ved hjælp af ultraviolette laserstråler.

© CERN

Metoden udnytter det fænomen, at en bølges frekvens ændrer sig, når afstanden mellem afsenderen af bølgen og modtageren ændres.

Hvis modtageren fx bevæger sig væk fra afsenderen, vil bølgerne i det lys, som rammer modtageren, blive trukket ud. Dermed falder frekvensen, så lyset bliver rødforskudt. Og omvendt: Hvis modtageren bevæger sig hen mod afsenderen, vil bølgerne blive presset sammen, så frekvensen stiger, og lyset bliver blåforskudt.

I ALPHA-forskernes nye nedkølingstank er laserens frekvens indstillet så smart, at den kun påvirker de antiatomer, som modtager laserlyset som blåforskudt – dvs. de antiatomer, som bevæger sig hen mod laseren. De absorberer lyspartiklerne, som strømmer imod dem, og taber dermed fart.

Antiatomer, som enten står stille eller bevæger sig væk fra laseren, sker der intet med. Samlet set vil antiatomernes hastighed derfor falde – og dermed også deres temperatur.

Når forskerne på den måde har kølet antibrinten ned til en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt, ledes den videre til en lodret vakuumtank, hvor selve faldforsøgene skal foregå.

Eksperimentet er næsten det samme som det, Galilei udførte. Forskerne lader simpelthen antiatomerne falde ned gennem vakuumtanken og måler, hvor hurtigt de rammer bunden.

Og de vil ikke være i tvivl om, hvornår det sker. Når antiatomerne møder de almindelige atomer i bunden af tanken, udslettes de og udsender ren energi i form af stråling, som let kan måles.

Faldtank

Forskerne i ATLAS-projektet er ved at lægge sidste hånd på den tank, hvor de vil gennemføre faldforsøgene med antibrint.

© Maximilien Brice/CERN

Hvis faldforsøgene på CERN viser, at antistof påvirkes anderledes end stof af tyngdekraften, får fysikerne travlt med at regne på, om det kan give forklaringen på det overskydende stof i universet.

I modsat fald skal svaret måske findes i forsøg, som undersøger andre egenskaber ved antistoffet – fx om antiatomer optager og udsender energi på nøjagtig samme måde som almindelige atomer.

Hvis forklaringen heller ikke findes her, er der en helt tredje og meget alternativ mulighed: At det manglende antistof slet ikke mangler, men stadig findes i universet i form af antistjerner og antiplaneter.

Astronomer jager antistjerner

Indtil for nylig har de fleste fysikere afskrevet denne mulighed som ren science fiction, men de seneste par år har et andet eksperiment, AMS på Den Internationale Rumstation, opfanget en række mystiske partikler, nemlig atomer af antihelium, der måske vil ændre vores forståelse af universet.

AMS

Partikeldetektoren AMS på Den Internationale Rumstation har opfanget kerner af antihelium, som måske kan være skabt af fusionsprocessen i antistjerner.

© NASA

Det er en dagligdags hændelse at se simple antiprotoner fra verdensrummet, hvor de dannes i en række forskellige kendte processer.

Men antihelium-atomer, som indeholder tre eller fire kernepartikler, er så svære at danne og holde stabile, at forskerne ikke havde regnet med at se nogen af dem – medmindre de altså kommer direkte fra antistjerner bestående af antistof.

Tanken om antistjerner kan virke meget eksotisk, men teoretisk set er der ikke noget i vejen for, at de kan eksistere. På afstand vil de ligne almindelige stjerner af stof, og deres indre processer vil være de samme. De vil bare fusionere antibrint til antihelium i stedet for brint til helium.

Den eneste mulighed, vi har, for at identificere antistjernerne er ved at observere sammenstødene mellem de antipartikler, de udsender, og almindelige stofpartikler i deres omgivelser.

En stjerne, som består af antistof – og dermed er en antistjerne – vil ligne alle andre stjerner. Men når partikler fra den møder almindelige stofpartikler, udsender sammenstødene afslørende stråling.

Antistof
© Claus Lunau

1. Antistjerne udsender solvind

Almindelige stjerner udsender solvind i form af ladede partikler, fortrinsvis protoner og elektroner. Hvis antistjerner findes, vil de også udsende solvind, men her vil den bestå af antiprotoner og positroner, som elektronens antipartikel kaldes.

Antistof
© Claus Lunau

2. Antistof møder stof

Ude i rummet omkring antistjernen vil dens solvind af antipartikler møde stofpartikler, fx i solvinden
fra almindelige stjerner. Når partiklerne mødes, udsletter de hinanden i en voldsom energiudladning i form af gammastråling.

Antistof
© Claus Lunau

3. Strålingen analyseres

Fermi-rumteleskopet måler gammastråling fra stjerner i hele Mælkevejen. Hvis gammastrålingen fra en stjernes nærområder er særlig stærk, og der ikke er andre gode forklaringer på den, markeres stjernen som en mulig antistjerne.

Ved kollisionerne vil partikler og antipartikler udslette hinanden og frigive energi i form af gammastråling. Med rumteleskopet Fermi kan strålingen måles, og for nylig har forskere fra University of Toulouse i Frankrig gransket Fermis målinger fra alle stjerner i Mælkevejen for at finde mulige antistjerner.

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

Rumteleskopet Fermi

Rumteleskopet Fermi har kortlagt gammastråling fra alle egne af Mælkevejen. Ud fra kortet har forskere identificeret 14 stærke gammakilder, som muligvis er stjerner af antistof.

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

Om de 14 gammakilder virkelig er antistjerner, som er bygget af antistof fra universets fødsel, er stadig meget usikkert. Men skulle det vise sig at være tilfældet, skal big bang-teorien revideres.

Det er dermed ikke kun fysikernes standardmodel, som skal stå sin prøve, når CERN-forskerne tager fat på de nye antistof-eksperimenter. Også kosmologernes teori om universets skabelse og udvikling er til eksamen.