Aarhus-forsker fanger og måler særlig energitilstand i antibrint for første gang
Nye målinger af antistof bekræfter fysikernes teorier.
antistof, antibrint, partikelfysik, atomfysik

Antistof 'annihilerer' når det kommer i kontakt med stof. Her ødelægges begge dele og energien slippes løs som varme og lys. (Illustration: Shutterstock.)

Antistof 'annihilerer' når det kommer i kontakt med stof. Her ødelægges begge dele og energien slippes løs som varme og lys. (Illustration: Shutterstock.)

Antistof. 

Måske har du hørt om den gådefulde modpol til alt det stof, vi ser omkring os. Alt det, din telefon er lavet af, det du ser på dit skrivebord, dit hus og alle du kender. Vi er alle lavet af stof.

Men for hver lille partikel og atom i universet findes der også en tvilling med den modsatte ladning.

I fysikkens verden kaldes den tvilling for antistof, og den er forskere meget interesserede i at undersøge. Problemet er bare, at når antistof kommer i kontakt med stof, så forsvinder begge dele.

Alligevel er det nu lykkedes forskere fra CERN i Schweiz at fastholde antistof længe nok til at lave målinger af hele anti-atomers strukturer og energi med hidtil uset præcision.

»Vores målinger bekræfter indtil videre, at stof og antistof opfører sig ens. Vi viser, at det kan lade sig gøre at måle på antistoffet, og vi gør store fremskridt i øjeblikket,« siger Jeffrey Hangst, der er professor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet og medforfatter på det nye studie, til Videnskab.dk.

Studiet er netop udkommet i det anerkendte tidsskrift Nature. 

CERN, higgs, antistof, fysik

Proton Synchrotron- acceleratoren er en 'start-accelerator' til den store 27 kilometerlange partikelaccelerator LHC, som befinder sig 100 meter under jorden og kører gennem Schweiz og Frankrig. (Foto: Asbjørn Mølgaard Sørensen)

Antistof kan revolutionere fysikken

Jeffrey Hangst arbejder til dagligt på forskningscentret CERN i Geneve, Schweiz.

Her har han nemlig adgang til de antipartikler, som skabes i partikelacceleratoren Proton Synchrotron.

Inde i acceleratoren sender forskere partikler kaldet protoner afsted med næsten samme fart som lysets hastighed - det hurtigste, fysikken tillader - før de smadrer dem ind i stof.

Under sammenstødet skabes antiprotoner, som Jeffrey kan bruge til at danne anti-atomer. 

»Vi er meget interesserede i at undersøge anti-atomer, fordi fysikken forudsiger, at stof og antistof bør opføre sig ens. Gør det ikke det, så vil det revolutionere fysikken, og vi vil være nødt til at lave rigtig meget om,« siger han.

Brint og antibrint udsletter hinanden

Det eneste atom af antistof, det nogensinde er lykkedes at lave, er antibrint. 

Det er den omvendte version af brint - det første og letteste element i den periodiske tabel. Den mest udbredte udgave består af én proton og én elektron.

Protonen er positivt ladet, mens elektronen er negativt ladet. 

Antibrint består derimod af en antiproton, der er negativt ladet og en positron, der er positivt ladet. 

Møder de to hinanden annihilerer de, og deres masse frigives som lys.

Kulminationen på 30 års forskning

Jeffrey Hangst og hans kolleger på projektet ALPHA opfanger antipartiklerne fra partikelacceleratorerne, og sætter dem sammen i antibrint-atomer. 

Det er kompliceret at bygge anti-atomer. Men det er måske endda endnu sværere at fastholde dem og måle på dem.

Antibrint må nemlig ikke komme i kontakt med stof, for så forsvinder den i en eksplosion af lys.

Derfor skal antistoffet holdes i et vakuum, hvor Jeffrey og hans kolleger bruger superkraftige magneter til at fastholde dem.

Og de særlige magneter kræver en meget kold temperatur for at fungere - de må nemlig højst blive 5 grader varmere end det absolutte nulpunkt på -273,15 grader celsius.

»Det har taget næsten 30 år at nå hertil. Det er en avanceret proces. Men vi kan nu fastholde antibrint i mere end 100 timer uden at miste nogle af atomerne,« siger han.

LÆS OGSÅ: Hvad er antistof?

antistof, fysik, brint, antibrint

Hvis et brint-atom kunne se sig selv i spejlet med omvendt fortegn, så ville antibrinten kigge tilbage. (Illustration: NSF)

Energien i stof og antistof var ens

Så langt, så godt. Antibrinten er fanget - frit svævende i et vakuum.

Herfra undersøger forskerne, hvordan antibrint reagerer på lys.

»Brint har et særligt spektrum, hvor lys kan tilføre energi, så brinten kommer i en mere energirig tilstand. Hvis antibrint virkelig opfører sig ligesom brint, så skal den også reagere på samme måde på det samme lysspektrum. Og det gør den,« siger Jeffrey Hangst. 

Jeffrey kan naturligvis ikke se med det blotte øje, hvordan energitilstanden i antistoffet ændrer sig. Men når den så at sige annihilerer, altså ødelægges, så frigives energien i en lysekplosion, og den kan måles.

»Antibrinten er omgivet af tre lag af sensorer, og når energien flyver ud gennem dem, så kan man spore den tilbage, og så kan jeg læse tallene på computeren,« forklarer Jeffrey Hangst.

Sensorerne fungerer som en meget avanceret PET-skanner, som man kender fra lægevidenskaben, og kan men meget stor præcision måle, hvor lyspartiklerne fra antistoffet rammer.

LÆS OGSÅ:CERN: Hvorfor smadrer forskerne partikler mod hinanden?

CERN, ALPHA, Fysik, antistof

ALPHA-laboratoriet hos CERN ser måske vildt og rodet ud, men det kræver stor teknisk snilde at fange og måle på anti-atomer, forklarer Jeffrey Hangst. (Foto: ALPHA, CERN)

Forsker i partikelfysik: Imponerende bedrift

Jørgen Beck Hansen, der er lektor i eksperimentel subatomar fysik på Niels Bohr Institutet i København er imponeret over de nye resultater.

»Det er meget svært at måle det, de har gjort. De har en rigtig høj præcision, når man ser på, hvor lille en effekt, de måler på,« siger han.

Jørgen Beck Hansen arbejder selv med partikelfysik, altså de mindre bestanddele af atomer, og her er det lettere at måle med stor præcision. Men inden for atomfysikken er det helt nyt, at måle antistof så præcist, forklarer han.

Resultaterne i det nye studie har dog stadig en usikkerhed på 11 procent, så det er stadig muligt, at antibrint kan opføre sig anderledes end brint.

»Det er rigtigt, at der stadig er en fejlmargin. Men de har vist, at man med deres metode kan måle effekten mere nøjagtigt end tidligere. Derfor er det også et første resultat, som der nu skal arbejdes videre på,« siger Jørgen Beck Hansen.

LÆS OGSÅ: Antistoffets gåde er et skridt nærmere en løsning

The Lamb Shift

Når et atom tilføres lysenergi i det rigtige spektrum, så kan energien stige, så atomet indgår i en ny tilstand. 

Hvis det for eksempel er brint, der består af en protonkerne med en elektron kredsende rundt om, så kan elektronen hoppe fra den inderste skal til en skal længere ude. 

Når den mister energien, så afgiver den til gengæld en foton - energi i form af lys - og elektronen hopper tilbage i den inderste skal.

I 1947 målte den amerikanske fysiker Willis Lamb en forskel på to energitilstande i brint, som ifølge daværende teorier burde være ens. 

Det satte gang i udviklingen af kvanteelektrodynamikken som teori, hvor små fluktuationer i energi i vakuumet omkring brint-atomet kan forklare forskellen, som i dag kaldes The Lamb Shift.

Antistof er universets helt store gåde

Antistof er ikke bare interessant for fysikere, fordi de leder efter fejl i fysikkens love - også kaldet standardmodellen.

Der er en stor gåde, som har naget fysikerne, lige siden de lærte om antistof. Og gåden går faktisk helt tilbage til universets opståen - The Big Bang.

Her regner man med, at alt stof er opstået ud fra ren energi. Men når der dannes stof ud af energi, så dannes der også lige så meget antistof.

»Naturen er meget symmetrisk. Og i fysikken leder vi efter brud på symmetrien. Hvis vi kigger os omkring i dag, så består alt af stof. Derfor må der være en forskel mellem stof og antistof, som har gjort, at der i dag er mest stof. Og den forskel har vi endnu ikke opdaget,« siger Jørgen Beck Hansen. 

»Det er det største symmetribrud, fysikken kender til, og det er ikke sikkert, at mine forsøg nogensinde vil kunne forklare det. Men det er heller ikke pointen. I første omgang skal vi finde ud af, om der er nogle effekter i antistof, som vi har overset,« slutter Jeffrey Hangst.

Den nye forskning er støttet af Carlsbergfondet.

LÆS OGSÅ: Danske fysikere vil bruge antipartikler til kræftbehandling

LÆS OGSÅ: CERN præsenterer plan for ny giga-partikelaccelerator: Bliver 4 gange større end LHC

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Videnskab.dk Podcast

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