Alting i universet er gjort af stof.
Det faktum er en af fysikkens helt store mysterier, for ifølge Big Bang-teorien burde der være lige så meget af det mystiske antistof – det ligner stof til forveksling bortset fra, at det har modsat ladning. Gåden om det manglende antistof har plaget fysikerne i årtier, men nu får de endelig en chance for at finde en forklaring. Den internationale forskergruppe ALPHA ved det europæiske kerneforskningscenter CERN har nemlig som de første i verden udviklet en metode til ikke alene at producere men også indfange antistof i form af antibrint-atomer i laboratoriet. Den nye metode fremstiller ekstremt kolde og neutrale antibrint-atomer, og nogle af dem har temperaturer, der smyger sig op ad det absolutte nulpunkt. Kulden tæmmer de ellers uregerlige antibrint-atomer så meget, at man ved hjælp af en ekstremt stærk og specialdesignet magnet kan holde dem i en skruestik.
Af de tusindvis af atomer, som forskerne har fremstillet, har forskerne foreløbigt indfanget 38 neutrale antibrintatomer i et tidsrum på en tiendedel sekund. Det er længe nok til, at man kan undersøge antibrinten og finde ud af, hvordan det præcist er opbygget.
Metoden er netop blevet præsenteret i det førende videnskabelige tidsskrift Nature.
\ Fakta
VIDSTE DU
Man ved ikke med sikkerhed, om antistof vil falde eller stige i et almindeligt tyngdefelt. De fleste mener, at det vil falde, men der er ikke noget i fysikkens ligninger, der forbyder det at stige.
Den internationale forskergruppe ALPHA ledes af lektor Jeffrey Hangst fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.
»Det er første gang, at jeg er helt sikker på, at vi kommer videre med at måle på antibrint. Jeg er ikke længere det fjerneste i tvivl om, vi kan gennemføre det, som vi altid har drømt om, nemlig at kortlægge antibrint-atomets energiniveauer i detaljer ved hjælp af spektroskopi,« fortæller han.
‘Som at være Alice i Eventyrland’
Den internationale forskergruppe rummer yderligere to danskere, nemlig ph.d.-studerende Gorm B. Andresen ligeledes fra Aarhus Universitet, samt senior lektor Niels Madsen. Han er oprindeligt uddannet på Aarhus Universitet og er nu ansat på Swansea University i Storbritannien.
Niels Madsen bekræfter, at perspektiverne i det nye studie er meget store.
»Inden for eksperimentalfysikken er det et paradigmeskift. Nu, hvor vi både kan producere og fastholde antistof, åbner der sig en helt ny verden. Det er ligesom at være i eventyrland, hvor alt det, man har gået og drømt om, pludselig kan lade sig gøre,« siger han.
Forskerne har sukket efter at teste, om brint og antibrint opfører sig fuldstændigt ens, eller om der er en lille forskel på dem. Nu, hvor de kan holde antibrint fast, vil de kigge det meget nøje efter i sømmene, for selv den mindste forskel kan trække tæppet væk under nogle af fysikkens mest fundamentale teorier.
Stof og antistof hinandens spejlbillede
Ifølge kvantemekanikkens såkaldte CPT-teorem har hver eneste stofpartikel en tilhørende antistof-partikel, der ligner den på en prik, bortset fra at den har modsat ladning.
Hvis det er rigtigt, burde et neutralt antibrint-atom altså have nøjagtigt de samme energiniveauer og opføre sig præcis som det tilsvarende brint-atom, uanset hvad man finder på at udsætte det for. Det er netop den påstand, som forskerne gerne vil teste. Hvis det viser sig at være en forskel, kunne det måske forklare, hvorfor alt antistof tilsyneladende er forsvundet. En lille forskel på brint og antibrint kunne i løbet af universets levetid på 13,7 milliarder år vokse sig meget stor og skabe den voldsomme ubalance mellem stof og antistof, som vi finder i dag.
De forsøg, man hidtil har lavet, tyder ikke på, at der er en forskel mellem stof- og antistofpartikler.
Positroner og elektroner, der er hinandens antipartikler, har i alle hidtidige forsøg opført sig fuldstændigt ens, bortset selvfølgelig fra at have modsat ladning. Antiprotoner og protoner opfører sig også på nøjagtigt samme måde.
Forskerne er imidlertid i tvivl om, hvorvidt man har målt præcist nok. Positroner er nemlig elektrisk ladede partikler og påvirkes bl.a. af elektriske felter fra omgivelserne, hvilket kan forstyrre målingerne.
Antibrint-atomer har den store fordel, at de er elektrisk neutrale, og åbner derfor muligheden for at undersøge, om der er forskelle, med en langt større præcision. »Nu, hvor vi kan indfange antistof, kan vi undersøge, om der er forskelle mellem energiniveauerne for brint og for antibrint. Dermed har vi en enestående chance for at teste CPT-teoremet,« fortæller Niels Madsen. Jeffrey Hangst går fremtiden i møde med et åbent sind.
»Hvis brint og antibrint viser sig at opføre sig ens, så har det ikke den store konsekvens, for det er, hvad vi forventer – så bekræfter det kvantemekanikkens forudsigelser. Hvis de derimod viser sig at være forskellige, så skal alle lærebøger skrives om. Så skal vi finde en ny måde at finde ud af, hvordan rum og tid hænger sammen,« siger Jeffrey Hangst.
Svaret kan ikke forudses
Jeffrey Hangst kan ikke lokkes til at gætte på, hvorfor universet tilsyneladende har udslettet antistof.
»Jeg har ingen meninger om det, jeg holder mig til det, jeg kan observere. Der er ikke nogen teori, som på en overbevisende måde kan forklare mig, hvad der er sket. Det er måske det, der gør det hele så interessant, at svaret faktisk ikke er noget, man kan forudse lige nu,« siger han.
En af de forskere, som har anonymt har blåstemplet den videnskabelige artikel i tidsskriftets reviewproces, skrev følgende kommentar i sin tilbagemelding til Nature: ‘Bare det faktum at man har kunnet demonstrere indfangning af selv en lille mængde antistof atomer er af grundlæggende filosofisk betydning’. »Den melding skrev vi op på vores whiteboard i laboratoriet. Selv om antibrint er hverdag for os, så er det stadig noget, der imponerer. Det her er noget helt enestående,« siger Jeffrey Hangst.
Det er meget tilfredsstillende og noget overvældende at kunne kaste et blik på vores forsøgsopstilling på CERN og så vide, at den nu bugner af vaskeægte, neutrale antibrint-atomer
Jeffrey Hangst
Den nye metode er ikke kommet dumpende ned i forskernes turban, men er et resultat af mange års kreativ tænkning og hårdt arbejde. Lektor Jeffrey Hangst fra AU og seniorforsker Niels Madsen har været med siden det hele begyndte i midten af 90’erne.
Eventyret startede for alvor i 1995, hvor det lykkedes for en tidligere forskergruppe ATHENA at producere ni antibrint-atomer og det tog for alvor fat i 2002, hvor antibrint-atomer strømmede ud af forskergruppen forsøgsopstilling i tusindvis. ATHENA, hvori både Jeffrey Hangst og Niels Madsen var med, er forløberen for det nuværende ALPHA. Det gav forskerne håb om, at man på sigt kunne lave detaljerede studier på antibrint-atomerne og granske dem i alle detaljer. De nye resultater er det sidste skridt på den rejse – nu kan man både producere og indfange antibrint på CERN.
Da antiprotoner har det med at forsvinde i det øjeblik, det kommer i nærkontakt med stof, fremstilles det i vacuum og bliver holdt væk fra omgivelserne ved hjælp af stærke magnetiske felter. Jerngrebet kan holde antibrinten i live tilstrækkeligt længe til, at man fremover kan undersøge det nærmere via sofistikerede eksperimenter.
