CERN skaber tvilling til helium ved 2.000 milliarder grader

Vi kan lige så godt sige det, som det er: Denne artikel kommer ikke til at handle om frostvejr, madpakker, julepynt eller andre håndgribelige ting fra din hverdag.

Du har kastet dig ud i en svimlende historie om antistof, mørkt stof, eksperimenter ved 2.000 milliarder grader og ballonrejser over Antarktis. Så hold godt fast.

Historien tager sin begyndelse på forskningsinstitutionen CERN i Schweiz. Her bor et kæmpe bæst af en maskine, kaldet Large Hadron Collider (LHC). Med sine 27 kilometer er den verdens største og kraftigste accelerator.

»Inde i Large Hadron Collider kan man skabe forhold, som minder om forholdene lige efter Big Bang. Det bliver 2.000 milliarder grader varmt, så det er i virkeligheden en fantastisk varm og stor smeltedigel. Og ud af den kan vi skabe mange forskelligartede, eksotiske partikler,« fortæller professor Jens Jørgen Gaardhøje, som forsker i eksperimentel fysik ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

\ Læs mere

Nu starter partikelacceleratoren Large Hadron Collider op igen

Skaber antihelium ved 2.000 milliarder grader

I et nyt eksperiment har forskerne skabt et eksotisk stof, kaldet antihelium. Antihelium er en slags omvendt tvilling til helium – et stof, som du sikkert kender som en gas indeni svævende balloner.

»Alle partikler har en antipartikel. Det er en tilsvarende partikel, som bare har de stik modsatte egenskaber. Hvis en partikel møder sin antipartikel, siger det ’puf,’ og så forsvinder de begge og bliver til ren energi. Det kalder vi at annihilere,« siger Jens Jørgen Gaardhøje, som er en blandt flere hundrede forfattere til studiet, som beskriver CERNS eksperiment.

At forsvinde med et ’puf’ lyder måske lidt som en tryllekunstners påfund. Men antipartikler – eller antistof som det også kaldes – er altså et ægte fænomen, som nogle af verdens dygtigste fysikere kan frembringe og studere på CERN.

Antigalakser og antistjerner?

Ud over at blive skabt i vilde eksperimenter i laboratorier kan antistoffer også eksistere og opstå naturligt rundt omkring i universet.

Men antistofferne findes i langt mindre mængder end de ’normale’ stoffer, som vi møder i hverdagen – og som du, dit hus, dit juletræ og alt andet på Jorden består af.

Derfor møder du heller ikke antipartikler til dagligt, og forskerne har heller aldrig set tegn på, at fjerne stjerner eller galakser har antistoffer som byggesten.

»Det ville være rigtig spændende, hvis der fandtes antigalakser i universet – altså store galakser, som består af antistof. Det er der bare ikke noget, der tyder på. Men man spekulerer på, hvorfor det er sådan,« siger Jens Jørgen Gaardhøje og fortsætter:

»Helt overordnet er det et stort filosofisk spørgsmål, hvorfor vores verden ser ud til at bestå af almindelige partikler frem for at bestå af lige dele partikler og antipartikler. Men sådan ser naturen altså ud til at være skruet sammen. I hvert fald i den del af universet, som vi bor i og kan observere.«

\ Læs mere

Hvorfor er der ikke antistof i universet?

Sådan gjorde forskerne

I de nye eksperimenter på CERN har forskerne altså forsøgt at blive klogere på antipartikler, fordi de kan rumme en nøgle til dybere forståelse af universet, vi lever i.

Forskerne skabte deres antistoffer inde i en detektor, som hedder ALICE, og som befinder sig i den 27 kilometer lange accelerator.

Antistofferne i dette forsøg er som nævnt et antistof til ballongassen helium; mere præcist er der tale om en antihelium-3-atomkerne – en omvendt ’tvilling’ til heliums atomkerne.

Da forskerne i forsøget havde skabt antihelium-3-atomkerner inde i ALICE-detektoren, undersøgte de efterfølgende, hvor langt antistoffet var i stand til at rejse, før det stødte ind i ’normale’ stoffer fra detektoren og dermed annihilerede – forsvandt med et ’puf’.

\ Læs mere

»Et stort bæst«: CERN planlægger næste version af verdens største maskine

Forsker: Vigtige resultater

Forsøget viste, at antistoffet kunne overleve ganske længe på sin rejse gennem detektoren, og ifølge forskernes model-beregninger betyder det, at antihelium3-atomkerner vil være i stand til at rejse tusindvis af lysår gennem vores galakse Mælkevejen.

»Resultaterne er vigtige, for tidligere har vi manglet eksperimentelle studier af, hvordan antihelium-3 interagerer med almindeligt stof. Den slags information er afgørende, fordi den kan bruges til at udlede, hvor langt og hvor effektivt antihelium-3-atomkerner kan rejse i galaksen,« siger fysiker Aihong Tang fra det amerikanske Brookhaven National Laboratory til Videnskab.dk

Forskerne mener, at der især bliver skabt antistoffer i det tætte, rodede område omkring centrum af Mælkevejen. Men hidtil har det været uklart for forskerne, hvor mange antistoffer som ville være i stand til at klare den lange rejse fra Mælkevejens centrum og ned til Jorden.

»Vores resultater viser for første gang ud fra direkte målinger, at antihelium-3-kerner, som kommer fra så langt væk som centrum af vores galakse, kan nå ned til nær-Jorden-lokationer,« siger Andrea Dainese, koordinator ved ALICE-eksperimentet i en pressemeddelelse fra CERN.

Hjælp til at fange mørkt stof

Ved at vise, at antihelium-3 er i stand til at rejse tusindvis af lysår, åbner forskerne potentielt en helt ny dør til at studere et af universets største uløste gåder: Det mørke stof.

Mørkt stof er en ukendt form for stof, som forskerne er ret overbeviste om eksisterer, men som de hverken kan se eller opfange med eksperimenter. Den eneste måde, forskerne kan få nys om det mørke stofs eksistens, er ved at studere dets tyngdekraft.

»Vi kan se, at der er galakser ude i universet, som bliver påvirket af tyngdekraften fra noget, som vi ikke kan se. Det ’noget’, som vi ikke kan se, har vi kaldt for mørkt stof. Så det eneste vi rigtig ved om mørkt stof er, at det føler tyngdekraften på samme måde som almindeligt stof,« siger Jens Jørgen Gaardhøje.

Modsat antistof, som kun eksisterer i små mængder, mener forskerne at en temmelig stor portion af vores univers består af mørkt stof – op mod 25 procent af universet består ifølge forskernes teorier af mørkt stof.

\ Læs mere

Hvad er mørkt stof?

Antipartikler sladrer om mørkt stof

Derfor har forskerne i årevis jagtet en metode til at kunne observere eller måle på det mystiske mørke stof. Indtil videre uden held.

Men håbet er, at man måske kan bruge antistoffer til at få det mørke stof frem fra sit skjul og afsløre lidt mere om sin hemmelige karakter.

»Hvis vi kan spore antipartikler, som rejser hertil fra rummet, kan de give os informationer om, hvad de har rejst igennem. Hvis de har rejst igennem områder med mørkt stof, kan de måske gøre os klogere på det mørke stof,« siger Jens Jørgen Gaardhøje.

Ifølge visse hypoteser kan antistoffer sågar opstå ude i rummet, når mørkt stof-partikler støder sammen og annihilerer. Med andre ord kan mørkt stof altså potentielt give ophav til antihelium-3.

Andre processer i rummet – som foregår uden mørkt stof - vil også kunne give ophav til antihelium-3. Men ifølge forskerne vil man potentielt kunne identificere om en antihelium-3-kerne er skabt ved hjælp af mørkt stof eller ej ud fra antistoffets energiniveau.

Det gør alt sammen antihelium-3 til »en kraftfuld måde at jage mørkt stof på,« lyder det i pressemeddelelsen fra CERN.

En 'smoking gun'

Selvom antihelium-3 og lignende antistoffer er blevet produceret i acceleratorer på Jorden, er de eksotiske stoffer endnu ikke med sikkerhed blevet opfanget, når de er kommet rejsende hertil fra det ydre rum.

»Detektionen af en lav-energi antihelium-3-kerne ville være en ’smoking gun’-signatur for, at mørkt stof annihilerer i vores galakse,« siger fysiker Aihong Tang, som ikke været en del af det nye CERN-eksperiment, men har skrevet en kommentar til eksperimentet i Nature Physics.

Han nævner blandt andet, at et eksperiment på Den Internationale Rumstation, ISS, for nyligt har opsnappet noget, som potentielt menes at kunne være antihelium-3 – altså antihelium-3, som er rejst ned mod Jorden fra rummet.

Hvis det bliver bekræftet, at disse fund vitterligt er antihelium fra rummet »vil det være en banebrydende opdagelse med betydelig indflydelse på vores forståelse af kosmologi,« siger Aihong Tang .

En rejse i luftballon

I den kommende tid vil flere nye, vilde eksperimenter også forsøge at opsnappe antistoffer, som kommer rejsende til Jorden fra rummet. Det gælder eksempelvis missionen GAPS (General AntiParticle Spectrometer), som kommer til at bestå af en ubemandet luftballon, som vil flyve højt op i atmosfæren over Antarktis for at jagte antistoffer og for dermed også at blive klogere på mørkt stof.

Ifølge Jens Jørgen Gaardhøje giver det god mening netop at lede efter antistoffer højt oppe over Jorden. Heroppe er atmosfæren nemlig tynd, og dermed er risikoen for at antistoffet støder ind i ’normalt’ stof og ’forsvinder’ lavere.

Men han påpeger, at der fortsat vil være brug for eksperimenter på Jorden for at kunne forstå, hvad vi finder med instrumenter på balloner, rumstationer og rumfærger.

»Hele vores forståelse af, hvad der foregår i universet, er baseret på, at vi kan kigge ud i rummet og se, hvad der foregår. Men for at kunne fortolke, hvad vi ser, er vi nødt til at kende spillereglerne i rummet og dem kan vi kun lære ved at lave eksperimenter på Jorden og efterligne processerne i rummet,« siger Jens Jørgen Gaardhøje.

»Så når vi laver eksperimenter med antihelium-3 på CERN er det dybest set for at lære om spillereglerne i universet. Og hvis vi tilmed kan lære om mørkt stof, som vi dybest set ikke aner noget om, så kan vi for alvor blive klogere på universet.«

\ Læs mere

Hvorfor er der ikke antistof i universet?

\ Læs mere

»Næsten et mirakel«: Fysikere måler på antistof