Tyngdekraftens tiltrækkende virkning på alt stof lærer vi at kende fra barnsben.
Det er takket være den, at vi kan holde begge fødder på jorden, så vi undgår at flakse forvildede rundt i verdensrummet.
Man har længe funderet over, om tyngdekraften ville virke på samme måde i en antistofverden, hvor alle partikler er byttet ud med deres spejlbilleder – de såkaldte antipartikler, der har samme masse som stofpartiklerne – men modsat ladning.
Den gåde vil man nu forsøge at løse i et helt nyt eksperiment, Aegis, på verdens største forskningscenter for partikelfysik Cern i Schweiz.
Et internationalt forskerhold står bag projektet og knokler på med forberedelserne og blandt dem er en dansk fysiker.
»De fleste regner med, at tyngdekraften virker på samme måde på antistof og stof, men vi vil gerne undersøge, om det virkelig er sådan. Teoretisk er der ikke noget til hinder for, at antistof kunne opføre sig anderledes,« siger seniorforsker Lars Varming Jørgensen fra Cern.
Jagter en Teori om Alting
Kampen med at forstå tyngdekraften bunder i en higen efter at formulere en Teori om Alting, der skal samle de fire kendte naturkræfter elektromagnetisme, gravitation, den stærke kernekraft og den svage kernekraft. Målet med sådan en teori er at beskrive naturkræfter som udveksling af såkaldte kvanter, dvs. små energipakker mellem stof og antistofs mindste bestanddele. Den eneste naturkraft, man endnu mangler at kvantisere, er tyngdekraften. »Vi forstår ikke, hvordan tyngdekraften virker, og hvordan vi kan kvantisere den, og for at kunne lave en samlet Teori om Alting, er vi nødt til at finde en måde at involvere tyngdekraften på. Alle andre kræfter har vi kvantiseret,« siger Lars Varming Jørgensen.
Tyngdekraften bøjer rumtiden
Tyngdekraften er paradoksalt nok den naturkraft, forskerne ved mindst om, til trods for at det er den, der har skabt universets planeter, stjerner og galakser.
Forskerne kan ikke blive kloge på, hvordan tyngdekraften virker i detaljer, fordi den er så svag.
Èn af de ting, der gør tyngdekraften svær at kringle, er, at den bøjer selve den rumtid, som den opererer i.
Det trick kan ingen af de andre tre naturkræfter gøre tyngdekraften efter, og det er årsagen til, at det er umådeligt svært at få tyngdekraften ind på samme kvantiserede form, som de andre naturkræfter har.
Teorierne er tvetydige
Betingelsen for at kunne kvantisere tyngdekraften er, at man lærer den at kende og får beskrevet dens indvirkning på så mange forskellige former for masse som muligt.
Antistof er én af dem og er omdrejningspunktet for det kommende eksperiment. Antistof har det svært i vores verden, for i det øjeblik det møder almindeligt stof, udslettes det under udsendelse af stråling. Det gør eksperimentelle studier af antistof ekstremt svære at gennemføre.
Selv om man igennem de seneste år har haft held med at producere betydelige mængder antistof under ekstreme forhold i et laboratorium, så er antipartiklerne forsvundet så hurtigt, at man ikke har haft en reel chance for at udforske det.
Det problem løser det kommende eksperiment ved at gribe sagen helt anderledes an. Det både fremstiller og udforsker antibrit-atomer på en grundlæggende ny måde. (se nedenstående boks).
»Overordnet set går eksperimentet ud på at skyde antistofpartiklerne vandret ud i luften. Når antipartiklerne har tilbagelagt en vis afstand, kan man ved brug af avanceret teknologi se, om tyngdekraften har afbøjet partiklernes bane,« fortæller Lars Varming Jørgensen.
Falder antibrint ned eller op?
Eksperimentet får stor betydning for den videre udvikling af de fysiske teorier, for der hersker stor uenighed om, hvad resultatet bliver.
Skal man tro Einsteins Generelle Relativitetsteori, så falder alle former for masse ens, og derfor forventer de fleste forskere ikke nogen reel forskel i den måde, som tyngdekraften virker på stof og antistof.
På den anden side er der teoretisk set ikke noget til hinder for, at tyngdekraften rummer to hidtil ukendte kraftled, der først begynder at spille med musklerne, når der er antistof i nærheden.
De to ekstra led ville måske være lige store og modsatrettede for almindeligt stof, så effekterne af dem ophæver hinanden. Når det kommer til antipartiklerne, ville der derimod være en mulighed for, at de to kraftled virkede i samme retning væk fra jorden, så de tilsammen kommer til at udgøre en slags antityngdekraft.
Alternativt kunne de også gøre tyngdekraften stærkere, dvs. få massen til at falde hurtigere, end den gør med den kendte tyngdekraft.
»Viser det sig, at tyngdekraften virker forskelligt på stof og antistof, vil det i princippet betyde, at Einsteins såkaldt svage ækvivalensprincip ikke holder. Den siger, at alle masser falder ens. Det ville medføre en fundamental ændring af vores verdensbillede,« slutter Lars Varming Jørgensen.
Gitrene skaber skygger i strålen af antibrint-atomer. Sammenligner man de mønstre, som de to gitre hver især skaber i strålen, kan man regne sig frem til, hvilken effekt tyngdekraften har haft på antistoffet.
»Ved at sammenligne de to gitre kan man se, om mønstrene falder sammen, eller om det sidste mønster er sunket eller hævet i forhold til det første. Det viser, hvordan tyngdekraften virker på antistof,« siger seniorforsker Lars Varming Jørgensen fra Cern.
Hvis antistof forholder sig anderledes til tyngdekraften end stof, så åbner det op for, at der også findes en hel tredje kategori af byggestene i universet, der reagerer på tyngdekraften på en anden måde. Disse byggestene kunne måske være kilden til det mystiske mørke stof
Lars Varming Jørgensen
En af udfordringerne er at skabe en stråle af neutrale antibrint-atomer ud fra positronium, hvor man forener en bunden tilstand af en elektron og en positron med antiprotoner.
For at kunne se mønstrene er det vigtigt, at antibrint-strålen er renset for støj. Det kræver, at atomerne ligger bomstille, og derfor køler man hele området ned til 50 milliKelvin.
Når antibrintatomerne er skabt, skal de accelereres op, så de når en tilpas høj fart, og det sker med Cerns såkaldte Stark-accelerator, der udnytter opsplitnigen af atomets energiniveauer i et elektrisk felt til at accelerere atomet.
Teknikken er afgørende for det kommende eksperiments succes og er først blevet udviklet inden for de seneste år.
»Der er utroligt mange ufatteligt svære problemstillinger i dette eksperiment. Vi er f.eks. nødt til at bruge mange kræfter på at lave elektroniske filtre og at bygge elektronik, der gør støjen så lille som overhovedet muligt. Det køleskab, der skal køle atomerne så langt ned, er ikke klar før 2012, så eksperimentet kan først påbegyndes herefter,« siger Lars Varming Jørgensen.
