Velkommen til anti-verdenen!

For første gang i historien er det lykkedes at gennemlyse antibrint og på den måde udføre spektroskopiske målinger på antistof. Det vigtige resultat har i mange år været en ambition for antistof-fysikere, og nu er det lykkedes for en forskergruppe med dansk ledelse at opnå det. Dermed er der taget af stort skridt mod at afdække, om antistof opfører sig på andre måder end almindeligt stof.

Vores kendte univers består udelukkende af stof. Men det burde det ikke, hvis fysikbøgernes teorier er rigtige. Så mangler der nemlig antistof; en slags 'negativ' af verden og universet, der har modsatte energier. Et danskledet forskerhold har nu taget et vigtigt skridt mod at forstå dette 'negativ' bedre. (Ill: Colorbox)

Vi lever i et univers, der ikke burde eksistere. Problemet stammer tilbage fra universets oprindelse ved Big Bang. Hvis det stof, der findes i universet, er dannet fra energien ved Big Bang, skulle der være dannet lige så stor en mængde antistof som stof. Men hvor er antistoffet så blevet af?

Antiatomer var indtil for få år siden den slags stof, som teorier og science fiction blev lavet af. For så vidt man kan måle og observere i laboratoriet, består universet kun af almindeligt stof. Det er et af de store mysterier i fysikkens verden, at universet ikke burde se ud, som det gør, og det er ekstremt kompliceret at udføre målinger på antistof, da det annihilerer ved den mindste berøring af vores verden.

Men nu er det lykkedes et forskerhold at udføre et spektroskopi på anti-brint, og på den måde taget et afgørende skridt til at forstå antistof. Fundet er offentliggjort d. 19/12/16 i det ansete videnskabelige tidsskrift, Nature.

”Vi har udført den første laser-spektroskopiske måling på at antistof-atom nogensinde. Det er et resultat, der længe har været det mest eftersøgte indenfor denne gren af antistoffysikken. Det markerer et paradigmeskift indenfor forskningen, hvor vi nu ved, at det er muligt. Det betyder, at fokus nu kan skifte til at arbejde konkret med at udvikle metoder til nøjagtige målinger af antistof. Det er en milepæl, der er den foreløbige kulmination af 20 års ihærdigt arbejde indenfor feltet,” siger professor Jeffrey Hangst, Aarhus Universitet, der leder ALPHA gruppen ved det fælleseuropæiske center for kerneforskning, kendt som CERN, hvor arbejdet er udført.

Atomer kan tilføres energi ved at sende f.eks. laserlys mod dem. Når atomerne så falder tilbage til deres normale energiniveau, udsender de et lys med frekvenser, der kan opfanges og måles og give information om atomets struktur – med det man kalder spektroskopi. Udfordringen har været, at antistof og stof kan ikke eksistere på samme sted. Overhovedet. Hvis stof og antistof mødes vil de tilintetgøre hinanden øjeblikkeligt. Derfor har det været en særdeles stor udfordring at skabe et forsøg, hvor det er muligt at fastholde antibrinten længe nok til at undersøge dens egenskaber.

Det er det, Jeffrey Hangst og gruppen nu er lykkedes med. Efter mange års intenst arbejde har de udviklet en metode, der ikke blot fastholder anti-stoffet, men også gør det muligt at bestråle det med laserlys, og dermed tilføre det energi, så det kan gennemgå transitionen fra 1S til 2S (fra grundtilstand til energiladet). På den basis er det nu muligt at forklare, at antiatomets opførsel er sammenlignelig med et brintatoms. Det er første gang, man har haft den indikation på, om der er en sammenlignelighed mellem de to typer stof.

Godt svar – men hvad er spørgsmålet?
For at have en idé om, hvad det er for et spørgsmål den internationale forskergruppe, nu vil søge at besvare, så lad os tage en tur 13,7 milliarder år tilbage i tiden – tilbage til Big Bang.

I disse ekstreme øjeblikke blev fysikkens love grundlagt. Den første der blev skabt ifølge teorierne, var tyngdekraften. Det var den, der tvang Big Bangs rene energi til at omdannes til de allerførste partikler.

Men det er her, at universet driller fysikerne; for når man omdanner energi til stof, vil der ifølge kvantemekanikkens love ske en pardannelse med et partikel og et ’modsvarende’ antipartikel. Med almindelig hovedregning skulle det altså betyde, at universet umiddelbart ville bestå af lige dele stof og antistof, og at disse to dele så bare ville tilintetgøre hinanden; hvilket igen ville betyde, at der ikke var noget univers tilbage. Men der må have været en lille overvægt, eller asymmetri, at ‘stof’, som så har overlevet denne store begivenhed.

Den såkaldte Standardmodel er den bedste nuværende teori, der beskriver fundamentale partikler og deres vekselvirkninger. Men den kan imidlertid ikke forklare denne asymmetri, og man har hidtil ikke fundet eksperimentelt bevis for den.

Fysikerne kan derfor ikke forklare, hvorfor universet består af stof i stedet for antistof, og faktisk heller ikke forklare, hvorfor universets stof og antistof ikke bare tilintetgjorde hinanden helt og aldeles, og efterlod et univers udelukkende af energi uden nogen form for stof. Eksisterer der virkelig en hidtil ukendt asymmetri mellem stof og antistof?

Jeffrey Hangst leder forskergruppen ALPHA-2, der nu har gjort det muligt at belyse antibrinten med laserlys og derved udføre spektroskopiske målinger for første gang nogensinde. (Foto: ALPHA-2)

Man har været i stand til at bevise delelementers eksistens teoretisk siden 1920erne, men forskerne blev først i stand til at fremstille og fastholde antistof i form af lavenergi antibrint i 2002 i et forsøg på CERN, der blev koordineret af Hangst i forskningsgruppen ATHENA.

Det lykkedes i 2011 at konstruere en anti-proton fælde, der gjorde det muligt for dem at fange og måle på antiprotoner og –brint. Det var blandt på den måde, det lykkedes for Jeffrey Hangst og ALPHA-gruppen at fastholde antibrint i spektakulære 16 minutter ved at fange det i en fælde, der ved hjælp af magneter, ekstremt vakuum og ultra-kulde kunne holde det adskilt fra nogen form for stof. Ikke blot det – det lykkedes også at udføre den første måling nogensinde, fordi antistoffet nåede ned på sin naturlige grundtilstand i det tidsrum. Det vil sige, at verden for første gang kunne iagttage et antibrintatom i sin ’naturlige’ form.

“Målet for gruppen og for antistof-programmet på CERN har siden været at undersøge om stof og antistof følger de samme fysiske love. Alle kendte love indenfor fysikken siger, at de to skal opføre sig ens. For at kunne undersøge det, skal vi belyse antibrinten i dets grundtilstand med elektromagnetisk stråling i form af laserlys. Det gør det muligt at se om antibrint absorberer energi på samme måde som brint,” forklarer Jeffrey Hangst.

Brint-atomet er det bedst beskrevne atom, og derfor er det helt perfekt til at tage udgangspunkt i, når man vil undersøge antistof. Jeffrey Hangst bruger sammenligningen, at mens man kan bruge et målebånd til at måle et bord med en millimeters nøjagtighed – hvilket svarer til en usikkerhed på 1:1000, så er et brintatoms energiniveauer beskrevet med en usikkerhed på 1:1.000.000.000.000.000 (for de, der tæller kan oplyses, at der er 15 nuller). Man har altså meget stor nøjagtighed på forståelsen af atomet.

”Målet er at opnå den samme15-cifrede præcision, som er opnået for brint. Netop denne helt afgørende måling er hovedgrunden til, at CERN byggede antiproton-deceleratoren tilbage i slutningen af halvfemserne. Med vores eksperiment her ved ALPHA, håber vi at være de første til at gennemføre denne udførlige sammenligning mellem brint og antibrint. Og med det nye fund her, har vi taget et afgørende skridt mod det, der mangler i forståelsen,” forklarer Jeffrey Hangst.


Læs flere forskningsnyheder som denne på hjemmesiden for webmagasinet 'Rømer' fra Science and Technology på Aarhus Universitet. Det er gratis at abonnere på, og udkommer ca. hver anden måned.

Se mere her.http://scitech.au.dk/roemer/