»Næsten et mirakel«: Fysikere måler på antistof
Et CERN-forskerhold under dansk ledelse har udført den første lasermåling på antiatomer. Det er en milepæl inden for antistof-forskningen.

Professor Jeffrey S. Hangst fra Aarhus Universitet fortæller i denne video om det succesfulde eksperiment, som han kalder »en drøm, der går i opfyldelse,« og »det største skridt i sin karriere«. (Video: CERN)

Antistof er uhyre svært at holde styr på, for så snart det rammer almindeligt stof, forsvinder begge dele. Tilbage er kun den energi, som stoffet og antistoffet repræsenterede.

Alligevel er det nu lykkedes et forskerhold ved det europæiske forskningscenter CERN i Schweiz at skabe, indfange, opbevare og nu også måle på antibrint. Det fremgår af en artikel i det prestigefyldte, videnskabelige tidsskrift Nature.

Det er en bedrift, som professor Jeffrey S. Hangst fra Aarhus Universitet har stået i spidsen for. Han leder Alpha-eksperimenterne, hvor målet er at finde ud af, om brint og antibrint er hinandens spejlbilleder – om stof og antistof opfører sig helt ens og kun adskiller sig fra hinanden ved at have modsatte elektriske ladninger.

»I den tilsvarende forsøgsopstilling med almindelig brint måler man på en billion brintatomer. Vi må nøjes med 14 antibrintatomer. Det er næsten et mirakel, at vi kan gøre det, og vi er meget stolte over det,« lyder det fra Jeff Hangst.

Mange års forberedelser

Hvor et brintatom er en positivt ladet proton, der omkredses af en negativt ladet elektron, består et antibrintatom af en negativt ladet antiproton og en positivt ladet positron (elektronens antipartikel).

I universet er der masser af stof, men næsten intet antistof, og det er faktisk lidt af et mysterium. Når fysikerne laver eksperimenter med antistof, er det blandt andet for at finde ud af, om stof og antistof er forskelligt på en måde, der kan forklare, hvorfor det er sådan.

Forskerne har arbejdet frem imod det nye antistof-eksperiment i et par årtier, og de har løbende gjort fremskridt, som vi da også har fulgt her på Videnskab.dk.

I 2010 lykkedes det for første gang at indfange og fastholde antibrint, hvilket vi skrev om i artiklen Gennembrud: Antibrint indfanget af danskledet forskergruppe.

Året efter havde forskerne fintunet teknikken, så de nu kunne holde på antibrinten i mere end 1.000 sekunder, som vi beskrev det i artiklen Antistof fastholdt i 16 minutter.

Ny antiatomfælde skulle bygges

Alpha 2 antistofeksperiment

Her er antistofeksperimentet Alpha 2 ved at blive opstillet. Cylinderen rummer den kraftige og præcise magnet, der holder antibrintatomerne fanget. (Foto: CERN)

Det banede vejen for det seneste eksperiment, som dog først krævede, at fysikerne udviklede og byggede en helt ny antistof-fælde. Hvor første version af Alpha blot var bygget til at holde på antiatomerne, er Alpha-2 designet til laser-eksperimenter.

Det krævede blandt andet en ny, superledende magnet til en pris af 3,3 millioner kroner, som blev betalt af Carlsbergfondet. Den særlige magnet er nødvendig for at holde antibrintatomerne på plads længe nok til, at forskerne kan nå at skyde laserstråler på dem.

Et vindue i antiatomfælden tillader laserstråler at påvirke antiatomerne, så det bliver muligt at måle, om de reagerer på samme måde på lyset, som almindelige atomer ville gøre det.

Antibrintatomer får ekstra energi

»Alpha-2 har gjort præcis, hvad den er designet til. Vi kan sende lys ind, så vi kan excitere antibrintatomer,« fortæller Jeff Hangst.

At et antibrintatom bliver exciteret betyder, at det kommer i en højere energitilstand end grundtilstanden, og spørgsmålet var, om der skulle lige så meget lysenergi til at excitere et antibrintatom som et almindeligt brintatom.

Det viste sig at være tilfældet. De nye målinger viser, at antibrint og almindelig brint tilsyneladende er hinandens 'spejlbilleder'. I hvert fald har de den samme overgang – det samme kvantespring – mellem grundtilstanden og den exciterede tilstand.

Højere præcision i fremtiden

»Det er en rigtig flot måling, de har lavet. Det er første gang, man har været i stand til at undersøge, om antistof opfører sig som stof,« siger Jørgen Beck Hansen, der er lektor i eksperimentel subatomar fysik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, og som har fulgt antistof-eksperimenterne gennem mange år.

»Det er absolut ikke en triviel ting, og det er jo også derfor, der har været så mange trin i processen og det har taget så mange år. Hovedmålet har været at måle denne overgang, og det er nu lykkedes. Nu skal målingerne bare forbedres, så præcisionen bliver bedre.«

Det er Jeff Hangst enig i:

»Vi har målt overgangen med meget stor nøjagtighed – to dele ud af ti milliarder – men den skal blive bedre. Vores mål er at foretage målinger med samme ekstremt store præcision, som man kan gøre det på almindelig brint. Det bliver svært og tager nok nogle år, men jeg er meget optimistisk. Vi skal bruge flere antiatomer og nye generationer af maskiner, men en dag skal vi nok opnå det.«

Falder antistof opad?

Forskerne er også gået i gang med at opbygge et andet eksperiment, som de kalder Alpha-g. Det skal måle antiatomernes opførsel i forhold til tyngdekraften.

»Vi håber, at vi bliver de første, der finder ud af, om antibrint falder opad eller nedad. Det er endnu ikke vist direkte. Vi har beskrevet, hvordan man kan gøre det, og nu bygger vi maskinen til det. Den skulle være færdig i slutningen af næste år,« fortæller Jeff Hangst.

Forskergruppens forsøg med at måle tyngdekraftens påvirkning af antistof har vi tidligere skrevet om i artiklen Antiatomer vejet for første gang.

Nye målinger kan revolutionere fysikken

Fysikernes bedste teori for, hvordan elementarpartikler og atomer opfører sig, kaldes standardmodellen. Den kan ikke rigtig forklare, hvorfor der er så meget mere stof end antistof i universet. Ved big bang burde der være dannet lige meget af hvert.

Hvis stof og antistof i sidste ende viser sig at opføre sig en smule forskelligt, kan det føre forskerne på sporet af en bedre teori for alting og en forklaring på, hvorfor universet har solidt overskud af stof. Jørgen Beck Hansen hælder nu mest til, at forklaringen nærmere skal findes blandt de elementarpartikler, der kaldes neutrinoer, for eksempel som beskrevet i artiklen Iskoldt eksperiment skal afsløre stoffets hemmelighed.

Langt de fleste fysikere regner med, at stof og antistof opfører sig ens. Men i videnskab er det ikke nok at tro og mene, og derfor vil Alpha-eksperimenterne være spændende at følge fremover:

»Hvis de begynder at se en forskel, så bliver det interessant. Det ville være en overraskelse, som ville tvinge de teoretiske fysikere tilbage til tegnebrættet og prøve at forstå, hvad der kunne give den forskel,« som Jørgen Beck Hansen siger det.