Aarhus-forsker har lavet de mest præcise målinger af antibrint nogensinde
En professor fra Aarhus Universitet i spidsen for CERN-eksperiment har brugt mere end 25 år på at vise, at atomer og antiatomer vekselvirker med lys på nøjagtig samme måde.

Her fortæller Aarhus-professor Jeffrey Hangst om de nye målinger af antibrint. (Video: CERN)

Et af videnskabens store mysterier er, hvorfor naturen rummer langt mere stof end antistof.

Ganske tidligt i universets historie blev der sandsynligvis dannet lige meget stof og antistof, men af en eller anden grund eksisterer vi i et univers, hvor der stort set kun er stof og intet antistof.

Denne asymmetri kan have at gøre med, at stof og antistof ikke opfører sig fuldstændig ens – at de ikke 100 procent er hinandens spejlbilleder.

Om det er tilfældet, prøver et forskerhold med professor Jeffrey Hangst fra Aarhus Universitet i spidsen at finde ud af. Det foregår ved hjælp af eksperimentet Alpha-2 på forskningscenteret CERN i Schweiz. Her gælder det om at holde anti-brintatomer fanget i en fælde længe nok til, at det er muligt at måle på dem.

Nu har forskerne udført ekstremt præcise målinger, der viser, at brint og antibrint opfører sig på nøjagtig samme måde, når atomerne påvirkes af en laser. Resultatet beskrives i en artikel i tidsskriftet Nature.

Historien kort
  • Brint og antibrint opfører sig ens. Det kan måles med en præcision på to billiontedele i et eksperiment på CERN.
  • Endnu er antibrints lysspektrum dog ikke målt med samme præcision, som det kan gøres for brint. Men det skulle være inde for rækkevidde.
  • Med eksperimentet forsøger forskerne at løse gåden om, hvorfor der er masser af stof og næsten intet antistof i universet.

Nu 100 gange mere præcist

Mens et almindeligt brintatom består af 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 slutningen af 2016 lykkedes det for første gang at måle forskellen på to energitilstande i antibrint. Det skrev vi om i artiklen »Næsten et mirakel«: Fysikere måler på antistof.

Nu kan fysikerne måle spektret af antibrinten – hvordan antiatomerne absorberer og udsender lys – med 100 gange så stor præcision som for halvandet år siden.

Det er noget af en præstation, for det er ikke nemt at producere, indfange og opbevare antistof. Så snart antistof rammer almindeligt stof, forsvinder begge dele i et glimt af energi.

25 års arbejde belønnet

Nu kan forskerne måle, at frekvensen af det lys, der skal til for at få brint og antibrint til at skifte mellem to tilstande, er den samme. Det kræver præcis det samme at få elektronen og positronen til at foretage et kvantespring. Hvis brint og antibrint afviger fra hinanden, er det i hvert fald højst med to billiontedele.

Og de kan måle detaljer i spektret for antibrint, nemlig de hyperfine strukturer i det.

»Dengang havde vi kun fundet spektrallinjen, men nu ligner målingerne det, vi kender fra målinger af brint. Det har jeg arbejdet på i mere end 25 år,« siger en begejstret Jeffrey Hangst til Videnskab.dk.

»Det er gået rigtig stærkt de seneste år – bedre end forventet. Nogle gange tror jeg nærmest, at jeg drømmer.«

Endnu større præcision venter

»Men vi er ikke helt i mål endnu. Vi mangler stadig en faktor 500 for at komme op på samme præcision, som brint er målt med,« fortsætter Jeffrey Hangst.

Jeffrey Hangst og Alpha-2

I dette virvar af instrumenter, der udgør eksperimentet Alpha-2, bliver antiatomer fastholdt i et magnetfelt, så fysikerne kan måle på dem. (Foto: CERN)

»Men nu er det helt sikkert, at vi kan komme derop – det er der ikke noget, der står i vejen for. Det tager bare nogle år, så vi fortsætter.«

Mere præcise målinger kræver en opgradering af måleudstyret. Blandt andet skal forskere investere i et ultrapræcist atomur.

Teorien skal testes

Det ville være noget af en overraskelse, hvis der – udover ladningerne – viser sig at være forskel på brint og antibrint. Det passer nemlig ikke med fysikernes bedste teori for partiklerne og de kræfter, der virker imellem dem.

»Hvis vi tog hele universet, byttede stof ud med antistof, spejlvendte det og lod tiden gå baglæns, ville vi ifølge vores ligninger få et univers magen til det, vi bor i – vi ville få samme resultater, når vi måler,« fortæller lektor Jørgen Beck Hansen, der forsker i eksperimentel subatomar fysik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Men det er jo ikke sikkert, at teorien er komplet, så derfor skal det testes. En lille forskel mellem brint og antibrint ville bringe fysikken videre og måske forklare, hvorfor universet er fyldt med stof og ikke antistof.

Hver en sten skal vendes

»Før vi har vendt hver en sten, ved vi jo ikke, hvad der gemmer sig nedenunder. Vi skal gå så langt, som vi kan, for at vise, om der er forskel på brint og antibrint,« lyder det fra Jørgen Beck Hansen, som ikke har deltaget i det nye studie.

»Vi partikelfysikere måler også på stof og antistof, og vi kan opnå en endnu bedre præcision. Men Jeff og hans hold bruger en metode, der er helt anderledes end den, vi bruger i partikelfysikken, hvor vi måler på nogle helt andre partikler. Så vi får en uafhængig måling, og det er vigtigt. Der kan altid dukke noget op, der har undsluppet vores metode.«

Men måske er det nærmere hos de spøgelsesagtige elementarpartikler neutrinoerne, man skal finde en forklaring på universets overskud af stof. Hvordan det hænger sammen, kan man læse om i artiklen Iskoldt eksperiment skal afsløre stoffets hemmelighed.

 

Først forudsagt, så fundet

I 1928 ville den geniale engelske fysiker Paul Dirac kombinere det 20. århundredes to store fysikteorier, nemlig kvantemekanikken og relativitetsteorien.

I den forbindelse fandt han frem til, at der til enhver partikel måtte høre en antipartikel, altså en partikel med samme masse, men modsat elektrisk ladning.

Det var en påstand, som var svær at tage for gode varer, for sådanne antipartikler var aldrig blevet observeret. Men det ændrede sig i 1932, hvor den amerikanske fysiker Carl Anderson opdagede spor efter en hidtil ukendt partikel i sit tågekammer.

Partiklerne fra rummet havde præcis samme masse som elektronen, men en positiv frem for negativ ladning. Elektronens antipartikel fik navnet positronen.

Senere er andre antipartikler dukket op, for de kan skabes, når kosmisk stråling vekselvirker med molekyler i atmosfæren, eller når almindelige partikler kolliderer i en partikelaccelerator.

Ugens Podcast

Lyt til vores ugentlige podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.