Hvorfor er der ikke antistof i universet?
Moderne fysik giver en god forståelse af universet, men det manglende bevis for antistof er årsag til stor mystik blandt astrofysikere.
Antistof Stubberne

Når universet omdanner energi til partikler, så skelnes der ikke mellem stof og antistof. Der dannes lige meget af begge dele, og denne symmetri er et stort problem for vores forståelse af universets begyndelse, fordi den gør det umuligt for partiklerne at overleve, fortæller Videnskab.dk's faste rumskribenter, Henrik og Helle Stub. (Foto: NASA).

Når universet omdanner energi til partikler, så skelnes der ikke mellem stof og antistof. Der dannes lige meget af begge dele, og denne symmetri er et stort problem for vores forståelse af universets begyndelse, fordi den gør det umuligt for partiklerne at overleve, fortæller Videnskab.dk's faste rumskribenter, Henrik og Helle Stub. (Foto: NASA).

Universet, som vi kender det, burde faktisk slet ikke eksistere.

I stedet for planeter, stjerner og galakser burde universet ikke indeholde andet end stråling.

Det er en konsekvens af den moderne fysik.

Så alene den kendsgerning, at vi kan skrive dette, viser, at selv om moderne fysik giver en god beskrivelse af universet, så er der noget helt fundamentalt, vi ikke forstår.

Men lad os først formulere problemet.

Serie: 10 Astronomiske Mysterier

Der har altid været ubesvarede spørgsmål i astronomien, og selvom vi hele tiden bliver klogere, kommer der også hele tiden flere mysterier til.

I serien '10 Astronomiske Mysterier' vil Videnskab.dk's faste rumeksperter dykke ned i de mysterier, der i dag giver astronomerne hovedbrud.

Her kan du få en smagsprøve på serien og læse mere om baggrunden for artiklerne. Du finder en oversigt over alle de udgivne artikler i boksen under denne artikel.

Artiklerne i serien udkommer cirka med en måneds mellemrum. Vil du sikre dig ikke at gå glip af dem, så tilmeld dig vores gratis nyhedsbrev om rummet.

Om Einstein, stof og antistof

Som bekendt kan en partikel med massen m omdannes til energi E efter Einsteins berømte formel E = m∙c2, hvor c er lysets hastighed.

Men ligningen virker begge veje: Man kan også omdanne energi til masse, altså skabe nye partikler.

Det gør man i dag helt rutinemæssigt på store laboratorier som CERN i Schweiz, hvor man med stor energi bringer partikler til at støde sammen.

Netop ved universets begyndelse var omdannelsen af energi til partikler med masse helt afgørende.

Ifølge Big Bang er universet begyndt som ren energi, og en del af denne energi er så blevet til den masse, som i dag findes i universet i form af planeter, stjerner og galakser.

Atomer består som bekendt af protoner, neutroner og elektroner, og de er alle dannet i den første brøkdel af et sekund efter Big Bang, hvor universet var ufatteligt varmt med en temperatur på over en billion grader.

Der blev dannet mange andre typer af partikler ved Big Bang, men det er for omfattende til at komme ind på her.

Der findes to former for stof, nemlig det stof, vi kender, og så antistof.

Antipartiklen til en elektron har en positiv ladning og kaldes også for en positron.

Der findes også antipartikler til protoner og neutroner.

Når stof møder antistof, omdannes begge dele til hård gammastråling.

Antistof Stubberne

Når stof (her elektron) mødes med antistof (her positron) skabes der gammastråling. (Grafik: Ditte Svane-Knudsen)

Men når universet omdanner energi til partikler, så skelnes der ikke mellem stof og antistof.

Der dannes lige meget af begge dele, og denne symmetri er et stort problem for vores forståelse af universets begyndelse, fordi den gør det umuligt for partiklerne at overleve.

For hver gang, der blev dannet en proton, ville der også blive dannet en antiproton med en negativ ladning, og når en antiproton møder en proton, så omdannes begge partikler øjeblikkeligt til hård gammastråling.

Det samme gælder også for elektroner og antielektroner samt neutroner og antineutroner.

Så selv om universet har let ved at danne partikler, vil symmetrien mellem dannelse af partikler og antipartikler gøre det umuligt for partiklerne at overleve.

Som nævnt virker Einsteins ligning begge veje, så selv om de allerførste partikler forsvandt lynhurtigt, så kunne man jo tænke sig, at strålingen så bare dannede nye partikler.

Antistof Stubberne

Stråling kan omdannes til partikler – en partikel og en antipartikel i den såkaldte par-produktion (a) . Tilsvarende kan partikel og antipartikel omdannes til stråling (b). (Grafik: Ditte Svane-Knudsen).

Og det var også tilfældet lige i begyndelsen, hvor strålingen var meget energirig.

Temperaturen faldt efter Big Bang

Lige siden Big Bang har universet udvidet sig, og temperaturen er faldet.

Da universet var omkring et sekund gammelt, var temperaturen faldet til under 6 milliarder grader. Det var et afgørende punkt i universets historie.

For under denne temperatur har strålingen ikke længere nok energi til at danne nye partikler.

For at stråling med energien E kan omdannes til en partikel med massen m, så skal E jo være større end m∙c2, og kommer man under denne grænse, kan partikeldannelse ikke finde sted.

Efterhånden som universet blev koldere, blev grænserne for dannelse af nye partikler passeret, og der var nu kun en vej for de partikler, som allerede var dannet, nemlig at blive tilintetgjort ved sammenstød med deres antipartikler.

Resultatet blev, at antallet af partikler faldt, samtidig med at der blev dannet mere stråling. Og nu kommer så problemet:

Hvis der var dannet lige mange partikler og antipartikler, så ville de jo alle forsvinde ved sammenstød, og tilbage ville kun være et univers fyldt af stråling – uden planeter, stjerner og liv.

Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

Det var også meget tæt på at ske, for der er langt flere fotoner (lyspartikler) i universet end almindelige partikler, som kan danne atomer.

Vi kan endda beregne, hvor tæt universet var på slet ikke at eksistere i den form, vi kender det.

Hvis betydelige mængder af antistof havde overlevet, ville vi modtage en betydelig mængde gammastråling som følge af sammenstød mellem stof og antistof.

En sådan gammastråling er aldrig fundet, og det er et meget sikkert tegn på, at der højst kan være meget lidt antistof i universet.

To muligheder for antistof

Astronomer har målt strålingen i rummet og er kommet til det resultat, at der er næsten en milliard fotoner per kubikmeter i rummet, mod kun omkring et atom per kubikmeter.

Universet består faktisk af stråling iblandet en smule stof – nemlig den smule stof, som var i overskud i forhold til mængden af antistof, og derfor ikke blev tilintetgjort.

For hver gang universet dannede en milliard antiprotoner blev der åbenbart dannet en milliard og én protoner, og det var denne en ekstra proton som overlevede. Tilsvarende for elektroner og neutroner.

Det efterlader os med to muligheder:

  1. Enten blev universet skabt med mere stof end antistof 
  2. Eller også kan naturlovene skelne mellem stof og antistof på en måde, så universet efter sin dannelse havde lidt lettere ved at producere stof end antistof ud fra energi.

Den første ide kan i sagens natur ikke efterprøves videnskabeligt, da vi ikke kan genskabe universet og måle dets indhold af stof og antistof.

Den anden mulighed kan i princippet eftervises i laboratoriet, hvor vi jo næsten rutinemæssigt producerer nye partikler ud fra energi.

Men det bliver ikke helt let, eftersom vi altid ender med lige mange partikler og antipartikler.

Hvis der er en lille asymmetri i naturlovene, som favoriserer dannelsen af stof, bliver den ikke let at finde – men det har naturligvis ikke forhindret fysikerne i at prøve.

Den skjulte asymmetri

Der er grundlæggende to måder til at undersøge antistof, og hvordan det dannes.

Den ene måde er at bruge selve naturen og foretage målinger af den kosmiske strålings sammensætning, og den anden måde er laboratorieforsøg.

På rumstationen ISS har der siden 2011 været monteret et stort instrument kaldet AMS, der står for Alpha Magnetic Spectrometer.

Det blev fløjet op til ISS i 2011 og har altså nu været 10 år i rummet. Det fungerer stadig, takket være fire rumvandringer i 2019 og 2020, hvor man udskiftede et defekt kølesystem.

I videoen kan du høre mere om det store instrument kaldet Alpha Magnetic Spectrometer, der hjælper astrofysikerne med at skelne mellem stof og antistof (Video: ScienceatNASA).

AMS registrerer den kosmiske stråling, før den når Jordens atmosfære, og ved hjælp af kraftige magneter kan AMS afbøje partiklerne i strålingen.

På den måde kan man skelne mellem stof og antistof, da en positiv elektron (en positron) afbøjes til den modsatte side i forhold til en almindelig elektron.

Med andre instrumenter måler man partiklernes masser og energi, men målingerne fra AMS gør os desværre ikke meget klogere.

Instrumentet har skam fundet både positroner og antiprotoner, men i meget små mængder. Positronerne udgør under 0,1 procent af alle målinger og de tungere antiprotoner endnu mindre.

Den kosmiske stråling kommer langvejs fra, og målingerne tyder altså ikke på, at der i fjerne egne af universet er store lagre af antistof.

Langt det mest sandsynlige er, at de antipartikler, AMS har fundet, er dannet undervejs, når almindelige partikler i den kosmiske stråling ved sammenstød med atomer har dannet positroner og elektroner og måske også protoner og antiprotoner.

I denne (lidt lange) video kan du høre forskere diskutere om hemmelighederne bag antistof. (Video: World Science Festival).

Det er altså ikke det ’oprindelige’ antistof, der er fundet, men partikler, som astronomisk set er dannet for nyligt på strålingens lange rejse mod Jorden.

En af de muligheder, man diskuterer, er, om antipartiklerne er dannet ved sammenstød mellem kosmisk stråling og mørkt stof.

Den anden måde er at gennemføre, der viser, at naturlovene behandler stof og antistof på lidt forskellige måder.

Det eneste, man kan sige, er, at hvis der er en asymmetri, så er den pokkers godt skjult, for i ’almindelige’ forsøg er der ikke noget spor af asymmetrien.

Det japanske forsøg

Der er et japansk forsøg, som inden for de sidste par år måske har bragt os en smule nærmere svaret.  Desværre er det en lille smule teknisk.

Stubberne Antistof

Model af Kamokande instrumentet i Japan, der er et af de få som kan detektere neutrinoer. Det består af en enorm vandtank omgivet af fotomultiplikatorer, som kan registrere lysglimt når neutrinoer passerer. (Foto: JNN/CC BY 2.1 JP)

Grundlæggende går forsøget ud på at sende en stråle af neutrinoer over en strækning på ikke mindre end 295 km fra Tokai på Japans østkyst til en meget avanceret detektor kaldet super Kaomikande, som befinder sig 1.000 meter under jorden i Mozumi-minen i de japanske alper.

Det er en 40 meter dyb cylinder fyldt med vand og omgivet af fotomultiplikatorer, der registrerer, når partikler farer gennem vandet.

Den rejse generer ikke neutrinostrålen ret meget, da neutrinoer bogstavelig talt kan passere tværs gennem Jorden uden at opdage, at den er der – neutrinoer vekselvirker bogstaveligt talt ikke med almindeligt stof.

Det kan være både en fordel og en ulempe, for, som man kan gætte, er det uendelig svært at måle noget på en stråle af neutrinoer.

Men uden at komme ind på detaljer, så kan det gøres med stort besvær og godt nok til, at forsøget kan gennemføres.

Man sendte en blanding af neutrinoer og anti-neutrinoer af sted på den næsten 300 km lange rejse til Kamiokande, men da de nåede frem, viste det sig, at neutrinoerne og antineutrinoerne ikke havde opført sig på helt samme måde. 

Antistof Stubberne

Det indre af Super kamoikande-detektoren, hvor man kan se de mange fotomultiplikatorer. (Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo).

Det afgørende er ikke de meget komplicerede tekniske detaljer ved forsøget, men at forsøget viser, at naturen på en eller anden måde kan skelne mellem stof og antistof.

Denne forskelsbehandling strider mod en af fysikkens grundlove kaldet CP-symmetri.

Forsøget anses for at være afgørende for at kunne give en forklaring på, hvorfor universet består af stof og ikke antistof.

Hvis forsøgene bekræftes, får fysikerne så deres hyr med at formulere en ny fysik, hvor den såkaldte CP-symmetri kan brydes.

Her er virkelig tale om en af astronomiens og fysikkens største mysterier.

For de meget nysgerrige: C står for Charge, altså ladning. C-symmetri siger, at universet ikke skelner mellem stof og antistof,

P står for paritet, altså spejlsymmetri, og betyder populært sagt, at universet heller ikke skelner mellem højre og venstre.

Det har i mange år været en grundsætning, at den kombinerede CP-symmetri ikke kan brydes. For at skabe den asymmetri, der har ført til vores univers, så kræver det, at man bryder reglen - noget af et dilemma…

Videnskab.dk Podcast

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

Corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte, døde og vaccinationer i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om det utroligt velbevarede dinosaur-foster, som du kan se herunder.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk