CERN's antistoffabrik kan give os svar på de dybere spørgsmål

Udefra ligner antistofværkstedet alt andet, der findes på CERN:

En stor, halvslidt bølgeblikhal i tresserstil. Grim, som bare pokker. Vi ved ikke engang, hvor indgangen er. Men til sidst bliver det lille følge af journalister heldigvis fundet af forsker Michael Doser.

Han fører os ned i jorden, gennem en garagedør og en lang, smal sprække mellem en mur og en formidabel stabel betonblokke (»for at stoppe stråling,« sagde Michael Doser). Det er først efter at have klatret op ad to lange trapper med gittertrin, at vi ser, hvad hallen huser:

I en ring langs væggene ligger en passende lille partikelbane - et cirkelformet rør af magneter og elektronik - hvor bittesmå partikler kan suse rundt med stor hastighed.

På gulvet og på platforme i resten af rummet står den storslåede hob af målere, ledninger, computere og tanke med ufatteligt iskold gas, der er nødvendig for at skabe antistof.

Eller for at være mere nøjagtig: Antibrint - universets eget spejlbillede af det kendte stof brint.

Et stort mysterium, hvorfor vi eksisterer

I 2010 rapporterede Michael Doser og hans kollegaer stolt, at de havde formået at fange hele 38 antibrint-atomer i et rør. Nu er produktionen nede, men når maskineriet starter igen om et par måneder, er effektiviteten steget markant:

Op til 100 antibrint-atomer per sekund, når alt kører, som det skal.

Men stadig: Lægger man omkostningerne til partikelbanen, hoben af udstyr, arbejdstimer for teknikere og forskere samt den nødvendige energi til at holde hele cirkusset i gang, er der tale om atomer med relativt høj stykpris.

Især taget i betragtning af, at du har brug for omkring en milliard milliarder atomer for at fylde en lille gasterning på én kubikcentimeter.

Hvad skal vi gøre med dette utroligt kostbare antistof?

Jo; vi har brug for det for at komme til bunds i en af universets store mysterier, råber Michael Doser for at trænge igennem skramlet fra en massiv kran, der ruller forbi ovenover os.

Undersøgelser af antistof kan faktisk give os svar på, hvorfor vi er her. Ja, ikke kun vi mennesker, men Jorden, Solen og hele molevitten. I teorien burde vi nemlig ikke eksistere.

For at forstå hvorfor, må man vide lidt om både stof og antistof.

Stof og antistof kan ikke opholde sig samme sted

På en måde kan man sige, at antistof er omtrent det, det lyder som: Det stik modsatte af stof, som er betegnelsen for alt det materiale, der findes inde i os, Jorden, Solen og resten af universet.

Tag antibrint og brint. De er hinandens identiske tvillinger i de fleste henseender. Men elektrisk set er brint og antibrint spejlbilleder af hinanden.

Et almindeligt hydrogenatom er lavet af en proton med positiv elektrisk ladning og en negativt ladet elektron. Antibrint består derimod af en negativt ladet proton og en positivt ladet elektron.

I praksis betyder det, at antibrint og brint er modsatte af hinanden i en sådan grad, at de helt ophæver hinanden, hvis de mødes. Brint og antibrint tilintetgør hinanden og efterlader sig kun et flimmer af energi.

Forståeligt nok betyder det, at stof og antistof ikke kan opholde sig på det samme sted. Og dermed finder du altså forsvindende lidt antistof på Jorden.

Alligevel dukker der til stadighed partikler af antistof op på Jorden. Radioaktive materialer skaber for eksempel antipartikler. I din krop dukker der over hundrede antielektroner op hver time. De kommer fra det radioaktive stof kalium-40, som vi indtager fra luft, mad og drikke.

Men før du ved af det, rammer antielektroner normale elektroner i kroppen, og dermed forsvinder antipartiklen for evigt.

Disse forsvindingsnumre er imidlertid knyttet til et dybt mysterium ved vores verdens eksistens.

Energi = partikler = energi

Alt stof i verden – altså alt det materiale, som du, Jorden og galakserne er sammensat af - er lavet af energi. Sådan virker naturen nemlig: Energi og stof er i bund og grund det samme. Partikler kan blive energi, og energi kan forvandle sig til partikler. Det var netop sidstnævnte, som skete på det tidspunkt, universet blev til.

Den utrolige mængde energi, som blev sluppet løs i Big Bang, forvandlede sig til partikler.

Men en partikel kommer aldrig alene. Når energi omdannes til stof, popper der altid to partikler op: en partikel og en antipartikel. Det er meget veldokumenteret, fortæller Heidi Sandaker fra Universitetet i Bergen - en af otte norske forskere, der arbejder med antistof i CERN.

»Sådan er det altid, både når vi observerer naturen, og når vi laver eksperimenter. Vi kan ikke få en partikel uden en antipartikel. Derfor tænker vi, at det samme må være sket under Big Bang.«

Hvorfor produceres der mere stof end antistof?

Der burde altså blive lavet nøjagtig lige så meget stof som antistof. Stofferne bør derefter ophæves fra hinanden helt og blive forvandlet til energi igen. Men sådan gik det jo ikke. Tværtimod er vores univers fyldt med almindeligt stof.

Derfor tror fysikerne, at der må være en lille forskel på stof og antistof. Før universets første sekund var ovre, var alt antistof og langt, langt størstedelen af stof stødt sammen og forsvundet. Tilbage svævede et lille overskud af stof - altså stoffet, som findes i rummet i dag.

Og så kommer vi til det store spørgsmål: Hvorfor bliver der produceret en lille bitte smule mere stof end antistof?

I 2013 kom de første hints. Forskere ved CERN havde konstateret, at nogle fysiske processer laver en lille smule flere partikler end antipartikler.

Forskellen er imidlertid ikke stor nok til at forklare alt det stof, vi har i universet. Der må være noget mere. Men hvad?

Det er her, at antibrint ved Antiproton Decelerator kommer ind, siger Michael Doser.

Sænker farten på lynhurtige antipartikler

Antiproton Decelerator kunne sandsynligvis aldrig have fået en rolle i en sci-fi film fra Hollywood. Til det er den alt for rodet. For en udenforstående ser det ud som et vidunderligt kaos af tunge maskindele, rør, gastanke, mystiske måledippedutter og stabler af elektronik med ledninger i alle retninger.

Men det er slet ikke opsigtsvækkende her på CERN. Efter udseendet at dømme skulle man tro, at hallen indeholdt en helt normal accelerator, som der findes flere af rundt om i området.

En accelerator er en bane, hvor forskere accelererer bittesmå partikler i et svimlende tempo - blot en smule langsommere end lysets hastighed. Men Antiproton Decelerator (AD) er ingen accelerator. Den er snarere det modsatte.

Den bremser antiprotoner, som kommer ind fra en anden accelerator. De bittesmå antipartikler bevæger sig med 96 procent af lysets hastighed, når de ankommer. I AD sænkes farten til kun 10 procent af lysets hastighed.

Så kan antiprotonerne møde antielektroner, og de to kan koble sig sammen til antibrintatomer med én antiproton og én antielektron.

»Dernede i den runde tank bliver antibrinten fanget,« siger Michael Doser og peger.

Midt i den tykke cylinder sidder et tyndt, guldbelagt rør, hvor antiatomer kan lagres et øjeblik. I det koldeste sted på planeten. Røret skal holde temperaturen på -272,5 grader, kun en halv grad over det absolutte nulpunkt - den koldeste temperatur der findes.

Udfordring at bevare antibrint længe nok

Omkring partikelbanen i den store sal er der flere sådanne eksperimenter, som kan bidrage til at afsløre små forskelle mellem antibrint og brint.

Vi kan se navnene på de forskellige projekter malet på væggene eller monteret som plancher over udstyret i hallen: ALPHA, ASACUSA, ATRAP. Finurlige akronymer (ord som er dannet af begyndelsesbogstaverne i to eller flere ord, red.) for noget med antistof.

En af de største udfordringer er imidlertid at bevare antibrint længe nok til, at man kan nå at studere det. For hvordan kan du opbevare noget, der forsvinder i det første møde med alle former for gasser, væsker og faste stoffer?

I 2011 nåede jublen sandsynligvis loftet, da forskerne var i stand til at bruge elektriske og magnetiske felter til at holde 300 antibrintatomer fanget i en lufttom beholder i hele 16 minutter.

Forventer ingen forskelle på brint og antibrint

Lige nu er antibrintproduktionen sat på pause. Nu finjusteres udstyret, mens hele CERN er nede for en periode på grund af et planlagt driftstop. Til næste efterår startes alt igen, og forskerne håber på at få de første målinger i hænderne, før 2014 er historie.

Måske får vi allerede der lidt mere at vide om forskellene på stof og antistof?

Oddsene er gode for, at vi ved mere om lighederne til den tid, siger Heidi Sandaker.

»Vi forventer egentlig, at reaktionen på tyngdekraften og de fleste andre egenskaber er ens for brint og antibrint,« siger hun med et smil.

»Men ingen har tjekket det før. Vi er nødt til at undersøge det, før vi kan sige, at de er ens.«

Tager årtier at finde frem til svar

Partikelforskning er ikke for utålmodige sjæle. Det kan tage årtier, før svarene kommer - hvis man i det hele taget finder dem. Michael Doser tror, at han når at blive pensioneret, før vi får nogen konklusioner om forskellene på antistof og stof.

Derfor har han også andre antistof-projekter kørende ved siden af. Det er for eksempel muligt, at antistof kan anvendes til behandling af kræft fire gange mere effektivt end den nuværende strålebehandling.

Men det vil sandsynligvis også komme til at tage lang tid, indrømmer Michael Doser og slår ud med armene.

»Som du kan se, er dette ikke ligefrem en behandlingsfacilitet for patienter.«

På den anden side er det er svært at sige, hvad der kan udfolde sig mellem beton og bølgeblik i Antiproton Decelerator.

På vej ud gør Michael Doser os opmærksomme på et lille antal af menneskeformede silhuetter, tegnet med farvet kridt på væggene ved af gittertrintrapperne.

Det er rester af Strangels - en dansegruppe, der optrådte her for ikke så længe siden. Navnet er en blanding af angels - engle - og strangelets, som er underlige, hypotetiske partikler, der måtte opstå i en partikelaccelerator.

På en måde opsummerer danserne i al enkelhed af noget af det helt særlige ved Antiproton Decelerator og CERN generelt:

Bag alt det grimme, rodede og underlige på dette sted, er en slags himmelsk akkord af de dybeste spørgsmål, vi mennesker kan stille.

© forskning.no Oversættelse: Jonas Salomonsen