Hvad er antistof?
Vi bor i et univers med masser af stof og stort set intet antistof. To læsere vil vide, hvad antistof egentlig er for noget, og en fysiker giver svaret.
Hvad er antistof stof fysik partikler atomer

Alt i universet er skabt af stof og ikke antistof. Og det er faktisk lidt af et mysterium, som fysikerne stadig arbejder på at løse. (Illustration: Shutterstock)

Antistof. Ordet lugter lidt af spændende bøger og film, hvor skurke har fået fingrene i antistofbomber, eller rumskibe er drevet af antistof.

Men hvad er det egentlig for en størrelse – hvad er antistof i bund og grund?

Det vil Videnskab.dk's læsere Helle Andersen og Michaela Lukacova gerne vide. De har læst nogle af de mange artikler, hvor vi har fortalt om fysikernes forsøg med antistof, men de vil gerne vide mere.

Først må vi hellere lige slå fast, at man ikke må forveksle fysikkens antistof med de antistoffer, som kendes fra biologi og medicin. Her er antistoffer (også kaldet immunglobuliner) særlige proteiner, som er en del af kroppens forsvar mod sygdomme. De kan binde sig til fremmede molekyler og dermed beskytte mod mikroorganismer og vira.

Men det er altså ikke dem, det skal handle om her. Vi skal have fat i en forsker fra fysikkens verden, og lektor Nikolaj Zinner fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet vil gerne fortælle om antistof.

Antistof på CERN

På CERN kan man producere antibrint og holde anti-atomerne indespærret i et magnetfelt. Så bliver det muligt at måle på antistoffet. (Foto: CERN)

Stof med modsat ladning

»Alle de partikler, som vi kender fra naturen – alt, hvad der får vores verden til at hænge sammen – findes i versioner med den modsatte ladning. Det er antistof,« siger Nikolaj Zinner.

»Antistof ser ud på nøjagtig samme måde og har samme masse, men præcis den modsatte ladning af almindeligt stof. For eksempel hører der positivt ladede positroner til de negativt ladede elektroner. Positroner er elektronernes antipartikler.«

Der er altså ikke noget specielt underligt ved antistof. Det er bare stof med den modsatte ladning af det stof, der omgiver os. Og så er der ikke ret meget af det, hvilket er et mysterium, vi vender tilbage til.

»Vi ser ikke antistof til hverdag, men det opstår i mange situationer, for eksempel ved radioaktivt henfald, i den kosmiske stråling og i acceleratorer. Det forsvinder bare igen lynhurtigt. Når en positron møder en elektron, bliver resultatet ren energi i form af to lyspartikler.«

Spørg Videnskaben

Her kan du stille et spørgsmål til forskerne om alt fra prutter og sure tæer til nanorobotter og livets oprindelse.

Du kan spørge om alt - men vi elsker især de lidt skøre spørgsmål, der er opstået på baggrund af en nysgerrig undren.

Vi vælger de bedste spørgsmål og kvitterer med en Videnskab.dk-T-shirt.

Send dit spørgsmål til: sv@videnskab.dk

Forsvinder i et lysglimt

»Når du har en elektron og en positron, har de jo modsatte ladninger, og derfor tiltrækker de hinanden. De kan komme meget tæt på hinanden, og når de gør det, smelter de sammen og bliver til to lyspartikler. Det er en konsekvens af naturlovene,« fortæller Nikolaj Zinner videre.

»Massen af de to partikler bliver til energi i form af lyspartikler – fotoner af gammastråling.«

»Hvis du havde en masse antistof og bragte det i kontakt med stof, så ville du få en meget voldsom reaktion. Modsat kan energi forvandles til stof og antistof – det sker i partikelacceleratorer.«

Bruges i medicinske scannere

Netop dette fænomen, at mødet mellem stof og antistof betyder, at begge dele forsvinder og bliver til energi, er nok det, der først og fremmest har fascineret forfattere til science fiction-historier.

For eksempel spiller antistof en stor rolle i Dan Browns 'Engle og Dæmoner', og stjerneskibene i 'Star Trek' er drevet af antistof.

Men i virkelighedens verden har antistof en mere fredelig anvendelse. Antistof i form af positroner skabt ved henfaldet af radioaktive materialer anvendes på hospitalerne i PET-skannere (Positron Emission Tomografi), som kan give et billede af organerne og røbe sygdomsaktiviteten dem.

»Så mystisk er antistof altså heller ikke. Det er en del af naturen, vi faktisk har glæde af,« siger Nikolaj Zinner.

PET-skanner

I en PET-skanner bruger man positroner (elektronens antipartikler) til at give et billede af de indre organer. (Foto: Shutterstock)

I øvrigt udsætter vi os selv for ekstra antistof, når vi spiser bananer. De indeholder nemlig kalium, hvoraf en smule er radioaktivt og udsender en positron ved henfaldet. Cirka hvert 75. minut udsender en banan en positron, der hurtigt rammer en elektron og bliver til to gamma-fotoner.

Det er absolut ikke noget, der er farligt. Der Man skal spise  nogle hundrede bananer,  før man får en strålingsdosis, der svarer til at få taget et røntgenbillede.

Forudsagt før det blev fundet

En dybere forståelse af antistof kan man måske få ved at kigge på historien bag. Interessant nok blev antistof forudsagt, før det blev fundet.

I 1920'erne viste det sig, at en ny teori kaldet kvantemekanik var perfekt til at beskrive stoffets mindste dele - atomer og elementarpartikler. Men det var ikke helt let at få kvantemekanikken til at passe sammen med den anden store fysikteori fra det 20. århundrede, relativitetsteorien.

Den unge, britiske fysiker Paul Dirac kastede sig over det problem, og det lykkedes ham at finde frem til en ligning, der kombinerer kvantemekanikken med den specielle relativitetsteori.

Med ligningen blev det muligt at beskrive en elektrons bevægelser, også selv om dens hastighed kom op i nærhedens af lysets hastighed.

Men ligningen rummede en overraskelse, for den havde nemlig to løsninger – på samme måde, som ligningen x² = 4 har to forskellige løsninger, nemlig x = 2 og x = –2. Den kunne ikke bare beskrive den velkendte elektron, men også en anden partikel; en elektron med negativ energi.

Fundet i et tågekammer

Nu giver en partikel med negativ energi ikke meget mening, og Paul Dirac fortolkede sin opdagelse derhen, at der kunne eksistere en partikel, som lignede elektronen til forveksling, bortset fra en modsat ladning.

Hvor elektronen har en negativ ladning, måtte der være en tilsvarende partikel med positiv ladning – og ifølge beregningerne måtte det samme gælde for alle elementarpartikler, altså alle de partikler, alting består af.

Nu gik jagten på anti-elektronen ind. Den amerikanske fysiker Carl Anderson brugte et tågekammer til at se spor efter partikler med oprindelse i  verdensrummet, og i 1932 opdagede han et spor efter en partikel, der havde samme masse som elektronen, men den modsatte ladning.

Det var Diracs anti-elektron, som fik navnet positron som en sammentrækning af positiv elektron. Siden dengang er det gået slag i slag med at opdage nye antipartikler.

Hvad er antistof stof fysik partikler atomer

Stof og antistof ligner hinanden. Eneste forskel på et brintatom og et antibrintatom er ladningerne af de partikler, atomet er opbygget af. (Grafik: nuclear-power.net)

Universets startede som ren energi

Dirac forestillede sig, at fjerne stjerner – måske halvdelen af alle på himlen – kunne være bygget op af antistof frem for stof.

Det fremgår for eksempel af hans nobelpristale, som han holdt i forbindelse med modtagelsen af Nobelprisen i fysik i 1933.

Men i dag ved vi, at alt i universet er skabt af stof og ikke antistof. Og det er faktisk noget af et mysterium, for ganske tidligt i universets historie må der være skabt lige meget af begge dele, forklarer Nikolaj Zinner:

Antihelium kan fremstilles

Da antistof er så sparsomt og forsvinder i mødet med stof, findes der ingen antistofmolekyler, og det er kun lykkedes at skabe de mindste atomer i antistof-udgaver.

I 2011 lykkedes det amerikanske forskere at fremstille antihelium. Større atomer er det ikke blevet til.

»Hvis vi spoler universets udvikling tilbage, bliver energi højere og højere. Tætheden bliver større, temperaturen stiger. Til sidst bliver alting til ren energi – kraftbærende partikler som fotoner. Sådan startede universet ifølge vores bedste kosmologiske teorier.«

»Og når vi er startet fra det udgangspunkt, så må energien være begyndt at blive til stof på et tidspunkt. Man kan godt skabe stof fra ren energi, men så skaber du lige så meget stof som antistof. Det er problemet – man ville forvente lige meget af hvert.«

»Der må være en egenskab ved naturlovene der gør, at der er mere stof end antistof tilbage i dag. Og der skal ikke så meget til – bare en lillebitte ubalance. Så kan asymmetrien forklares.

Neutrinoer kan måske løse gåden

Det store spørgsmål er så, hvor i naturlovene, baggrunden for stoffets sejr over antistoffet skal findes. Det prøver fysikerne at finde ud af ved at foretage eksperimenter.

Ved forskningscentreret CERN i Schweiz kan antistof produceres og indfanges i magnetfelter, og med en række antibrint-eksperimenter forsøger fysikerne at få svar på, om stof og antistof nu også er hinandens præcise spejlbilleder.

Måske er der alligevel en lille forskel bortset fra ladningen, og den forskel kunne så forklare, hvorfor der findes så meget stof i forhold til antistof.

På Videnskab.dk har vi skrevet en del om forsøgene, som indtil videre viser, at antistof opfører sig præcist som stof, som det for eksempel fremgår af artiklen Aarhus-forsker har lavet de mest præcise målinger af antibrint nogensinde.

Og måske skal løsningen på mysteriet nærmere findes hos de elementarpartikler, der kaldes neutrinoer. Det har vi skrevet om i artiklen Iskoldt eksperiment skal afsløre stoffets hemmelighed.

»Man kan have et håb om at finde et svar hos neutrinoerne, fordi vi i forvejen ved, at de opfører sig ret underligt. Her er der stadig nogle huller i fysikken, så det er fornuftigt at slå ned her,« som Nikolaj Zinner siger det.

I sig selv er antistof altså ikke så mystisk, men fysikerne har endnu ikke fundet ud af, hvorfor universet i dag rummer så meget mere stof end antistof. De arbejder på sagen.

Det var et meget langt svar på Helle Andersens og Michaela Lukacovas korte spørgsmål om, hvad antistof er. Der er T-shirts på vej som tak for spørgsmålet.

Andre gode, videnskabelige spørgsmål kan sendes til sv@videnskab.dk, så prøver vi at finde et svar hos forskerne. I mellemtiden kan du læse flere sjove spørgsmål og svar i vores bugnende Spørg Videnskaben-arkiv.

Ugens Podcast

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