Antistof fastholdt i 16 minutter
En international forskergruppe på CERN, med en dansk fysiker i spidsen, har som de første i verden holdt antibrintatomer i et jerngreb i godt et kvarter – dermed har fysikerne nu tid nok til at granske, hvad antibrint egentlig er.

Antiatomerne er fanget i en magnetisk fælde. Fælden er cylindrisk og dens "vægge", som er vist med lyse farver, består af et stærkt magnetfelt, som skabes af superledende magneter. Inden i fælden er der vacuum, og magnetfeltet sørger for, at antiatomerne ikke kan bevæge sig ud til vacuumbeholderens sider, hvor de vil blive tilintetgjort i kontakten med almindeligt stof.

Fysikere på CERN får sig nok en kop øl eller to efter at det er lykkes dem at holde antibrintatomer i et jerngreb i op til 16 minutter. 

Landvindingen, der er opnået af den internationale forskergruppe ALPHA, er netop publiceret i online-udgaven af det højtprofilerede tidsskrift Nature Physics.

Den samme forskergruppe fik så sent som i november stor medieopmærksomhed efter at have produceret og fastholdt antibrintatomer i 172 millisekunder.

»Vi har øget den tid, antibrint-atomerne bliver fastholdt, betragteligt, og det har stor betydning for vores kommende eksperimenter, « fortæller lektor Jeffrey Hangst fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, der leder projektet. Han fortsætter:

»Ikke alene sikrer det, at kommende forsøg får de bedste begyndelsesbetingelser, men også, at vi kan gennemføre mange typer af præcisionseksperimenter, der generelt er tidskrævende.«

Antibrint er brints spejlbillede

Fakta

Gorm Andresen, tidligere ph.d.-studerende hos Jeffrey Hangst og nu postdoc ved Aarhus School of Engineering, har udviklet teknikker til at sænke temperaturen på anti-protoner, som udgør kernen i anti-atomerne, til kun 10 grader over det absolutte nulpunkt (-273°).

Jerngrebet ruster fysikerne til at kunne løse én af universets allerstørste gåder, nemlig hvorfor verdensrummet tilsyneladende kun indeholder stof. Ifølge fysikkens fundamentale teorier burde det rumme lige så meget antistof.

Antibrintatomer forsvinder i det øjeblik, de kommer i kontakt med almindeligt stof under udsendelse af energi.

Udfordringen var derfor at bygge en 'fælde’, der forhindrede antibrintatomerne i at komme i kontakt med stof tilstrækkeligt længe til, at man kunne undersøge dem.  

ALPHA-gruppen har brugt det meste af et årti på at udvikle en metode og et apparatur, der magter opgaven. Det har været en langsommelig proces, der har krævet en stor portion tålmodighed og kreativitet, og som nu er mundet ud i en forsøgsopstilling, hvis størrelse og kompleksitet overgår de fleste menneskers fatteevne.

Men nu er apparaturet færdigt.

Det har krævet tæt samarbejde at få samlet alle smådele til én velfungerende helhed. Her er det antibrint-fælden, der bliver gjort klar til brug. (Foto: Niels Madsen.)

I november sidste år var forskerne nået så langt med opstillingen, at de kunne bruge den til at producere og indfange antibrint.

Siden da har ALPHA-gruppen nusset om apparaturet i en grad så antallet af atomer, som fælden kan fange i et eksperiment, er øget med en faktor otte. Nu fanger fælden ét atom for hvert forsøg og kan oven i købet holde antibrintatomerne fanget i et helt kvarter, hvilket er endog meget lang tid.

Den lange periode, atomerne bliver fastholdt, sikrer også, at antiatomerne er i deres lavest mulige energitilstand, kaldet grundtilstanden. Det er en fundamental betingelse for at kunne udføre eksperimenter med dem.

»Vi har øget vores følsomhed over for de målinger, vi vil lave omkring 40.000 gange i forhold til resultatet i november. Det betyder, at vi allerede i år kan gå i gang med de første målinger på antiatomernes energiniveauer,« siger den danske fysiker Niels Madsen, der er seniorlektor ved Swansea University i Storbritannien og tilknyttet ALPHA.

Energitilstandene skal kortlægges

En kortlægning af antibrintatomernes energiniveauer er noget, der står højt på forskernes ønskeliste.

Fakta

Aarhus-fysikeren Jeffrey Hangst og hans forskerkollegers arbejde med at fremstille antibrint blev for alvor verdenskendt gennem Dan Browns bestseller ’Engle og Dæmoner’, som blev filmatiseret i 2009.

Med den i hånden har de nemlig en mulighed for direkte at sammenligne et anti-brintatom med et brintatom. Hvis energiniveauerne i de to atomer er fuldstændigt ens, så er det ikke her, at forskerne skal finde forklaringen på antistofs fravær.

»For første gang er det muligt at gennemføre eksperimenter, som kan give os det allerførste kig ind i strukturen af antibrint, som er det første grundstof i det parallelle periodiske system for antistoffer,« fastslår Jeffrey Hangst.

Med hele 16 minutter til rådighed vil forskerne have god tid.

»De fysiske egenskaber, vi ønsker at måle, er i første omgang overgange mellem energitilstande i antibrintatomerne,« fortæller Niels Madsen.

For at kunne nå dertil skal forskerne beskyde et antibrintatom med elektromagnetisk stråling af den rigtige slags, som f.eks. lys eller mikrobølger. Det får atomet til at overgå fra én energitilstand til en anden.  

Rammer vi de fastholdte antibrint-atomer med præcis den rigtige mikrobølgefrekvens, undslipper de ’fælden’ og vi vil kunne påvise deres tilintetgørelse – selv for bare et enkelt atom.

Lektor Jeffrey Hangst, AU

»I laboratoriet kan vi så i praksis kunne observere og måle overgangen mellem energitilstandene ved at udsætte antibrintatomet for stråling i lang tid og således være sikre på, at overgangen finder sted,« siger Niels Madsen.

De første eksperimenter er udført

ALPHA-gruppen har faktisk allerede gennemført de første eksperimenter med antibrintatomer.

Det har ifølge Niels Madsen og Jeffrey Hangst bl.a. givet ny vigtig information om antibrint-atomernes bevægelse under og efter dannelsen.

»Det næste skridt bliver at studere antistoffets kvantefysiske egenskaber, i første omgang med mikrobølger, dernæst med en højpræcisionslaser. Nedkøles antiatomerne yderligere forventer vi også, at vi kan udforske, hvordan tyngdekraften påvirker antistof, og så er vi for alvor ved at have begreb om, hvad antistof er, og om det adskiller sig fra stof på afgørende områder,« slutter Jeffrey Hangst.

Tekniske finjusteringer gjorde hele forskellen

Efter gennembruddet i november, hvor ALPHA-gruppen fangede de første antiatomer, har forskerne haft en chance for at finjustere opstillingen, så den giver det størst mulige udbytte. En finjustering lyder måske ikke særlig vigtig - men faktisk har det været en forudsætning for at kunne arbejde videre med opstillingen og nå det seneste resultat. Det fortæller seniorlektor Niels Madsen fra Swansea University i Storbritannien.

»Så snart man har fanget mere end nul atomer, kan man justere eksperimentet for at se, om man fanger flere eller færre,« siger han.

»Resultatet i november var i støbeskeen i hele fem år, hvilket i sig selv var en stor kraftanstrengelse. Men den tid har givet en essentiel del af den forståelse, der har været nødvendig for, at vi har kunnet justere eksperimentet, så det nu virker en størrelsesorden bedre,« fastslår han.  

Det har altid været et fundamentalt kriterium for ALPHA-gruppens eksperiment, at fælden har et ekstremt godt vakuum, det vil sige et omåde, hvor der ikke er nogen form for partikler til stede, da antistof ikke overlever kontakt med stof. Det har forskerne derfor arbejdet en del med for at få helt på plads. Men udover det har forskerne ikke siden november, gjort nye ting for at øge levetiden.

»Vi har opnået resultaterne ved at udnytte al vores viden om, hvilke parametre der var vigtige - specielt har vi arbejdet meget med en ny teknik, der har været central for det første resultat, autoresonans, men vi er også begyndt at bruge vores evaporative kølingsmetode mere agressivt,« slutter han.

Både autoresonans og evaporativ kølingsmetode er omtalt i en tidligere artikel om projektet her på Videnskab.dk.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud