Sådan fik fysikerne greb om antibrinten

Så lykkedes det endelig: 38 antibrint-atomer er indfanget. Gennembruddet er opnået af den internationale forskergruppe ALPHA ved det europæiske kerneforskningscenter CERN og det er sket under ledelse af lektor Jeffrey Hangst fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

Antibrint blev allerede fremstillet på CERN i store mængder i 2002, men atomerne viste sig at være alt for livlige til, at man kunne indfange og nærstudere dem. Siden da har forskerne sat alt ind for at finde en metode til at tæmme og indfange antibrintatomerne. Opgaven var nærmest naturstridig, og eksperimentet var som et maraton fyldt med næsten uoverstigelige forhindringer.

En af de forskere, der kender opstillingen ud og ind og som har spillet en central rolle i eksperimentet, er seniorlektor Niels Madsen fra Swansee University i Storbritanien. Han er glad og lettet over, at det er lykkedes at indfange antibrint og opfatter det som et eksperimentelt paradigmeskifte.

»Det er vigtigt at kunne fange antibrint, for det er et eksperimentelt nåleøje, som vi er kommet igennem. I det øjeblik antibrint-atomerne ligger stille, kan man lave alle de eksperimenter med det, man vil. Vi har kæmpet i fire år for at få skabt antibrint-atomer, der er så kolde, at man kan holde dem fast i en magnetisk fælde, og det har ført til en ny stribe af teknologiske landvindinger,« siger han.

Antibrinten skal være ultrakold

Antistof er meget rebelsk, og lader sig ikke uden videre indfange. Antibrint-atomer er nemlig elektrisk neutrale og reagerer derfor ikke på elektriske felter. Den eneste måde at kunne fastholde antibrint-atomer er ved hjælp af kraftige magnetfelter, da atomerne hver især rummer en form for lille bitte stangmagnet.

En forudsætning for at kunne indfange antibrint med magnetfelter er, at atomerne er ekstremt kolde med temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, som er -273 grader Celcius. Forskernes strategi har derfor været at fremstille ultrakolde antibrint-atomer og så holde dem fanget i en uhyre stærk, specialdesignet magnetisk fælde.

Den simpleste form for antistof er spejlbilledet af almindeligt brint – mens brint består af en elektron og en proton, er et antibrint-atom opbygget af en antiproton og en positron. Ingen af de to slags partikler optræder i naturen, så derfor er man nødt til at fremstille dem i laboratoriet.

Positronerne er ikke noget problem at producere, fordi de uden videre kan tappes fra en radioaktiv kilde, og de leveres ved en temperatur på 350 grader over det absolutte nulpunkt, hvilket ikke er så varmt.

Antiprotonerne er til gengæld svære at lave, og kan oveni købet kun fremstilles med bevægelsesenergier eller temperaturer, der er alt for høje i denne sammenhæng. Deres energier er en faktor tusinde milliarder gange højere, end hvad den må have for at man kan producere ultrakoldt antibrint.

»Vi har derfor måttet udtænke alle mulige måder at afkøle antiprotonerne på, og det har været en sej, men også spændende proces,« siger Niels Madsen.

Elektroner tapper antiprotonerne for energi

Det første led i afkølingen var at sende antiprotonerne gennem et aluminiumsfolie, der bremser dem kraftigt op. De antiprotoner, der overlevede foliet, var dog stadig alt for sprælske, så derfor blev de straks sendt ind gennem en beholder fyldt med elektroner. Inde i beholderen hamrede antiprotonerne ind i elektronerne, og afgav under hvert sammenstød noget af deres energi. Elektronerne rystede dog hurtigt energien af sig igen ved at udsende synkrotronstråling.

Efter et minut havde elektronerne og protonerne fået samme temperatur, hvorefter elektronerne ikke længere havde en kølende effekt. Nu gjaldt det bare om at komme af med elektronerne i en fart. Blev de i systemet meget længere, ville de spolere hele eksperimentet. Det viste sig at være simpelt at slippe af med dem, for der skulle ikke andet til end at åbne en lille lem i beholderen. Elektronerne havde en højere fart end antiprotonerne og nåede derfor først hen til lemmen. Et splitsekund efter, at lemmen var blevet åbnet, havde den sidste elektron forladt beholderen, hvorefter lemmen blev smækket i. Beholderen indeholdt nu kun antiprotoner, der nu var kølet ned til en temperatur på 200 grader over målet, som er 0,6 grader over det absolutte nulpunkt.

De varmeste partikler sorteres fra

Positronerne og antiprotonerne var stadig for varme til at kunne danne det ultrakolde antibrint, så forskerne måtte endnu engang tænke kreativt for at finde en måde at vride energi ud af dem.

Det var en frustrerende proces, hvor projektet gang på gang slog fejl, men til sidst lykkedes det forskerne ved hjælp af en metode, der går under navnet ‘fordampningskøling’.

»Det svarer præcis til den måde, hvorpå din kaffe køler sig selv. Dampen over kaffen indeholder de varmeste molekyler. De kan slippe væk fra kaffen og bærer derved noget af energien med sig. Resultatet er, at kaffen bliver koldere,« siger Jeffrey Hangst.

Hidtil er den metode kun blevet brugt til afkøling af neutrale atomer, men med lidt teknisk snilde kunne forskerne bruge metoden på de elektrisk ladede antiprotoner og positroner. Metoden smed effektivt de partikler væk, der havde mere energi end gennemsnittet.

På den måde fik forskerne nedkølet antiprotoner og positroner til rekordlave temperaturer, og den bedrift var i sig selv så stor, at den i sommer blev præsenteret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

»Vi nåede frem til en middeltemperatur på 50 grader over det absolutte nulpunkt. Da det er middeltemperaturen af partiklerne, vil der derfor være nogle partikler, der er betydeligt koldere, end det. Nogle af partiklerne var mindre end 0,6 grader fra det absolutte nulpunkt, og der var tilstrækkeligt af dem til, at vi kunne lave ultrakoldt antibrint,« siger seniorlektor Niels Madsen.

Partiklerne bankes på plads

Nu kom forskerne til det springende punkt, der gik ud på at introducere positronerne og antiprotonerne for hinanden, så de dannede antibrint.

Tidligere har forskerne forsøgt at gøre det på en grovkornet måde ved at blande partiklerne sammen og så krydse fingre for, at det gik godt, men metoden duede ikke, da den tilførte partiklerne for meget energi.

Jeffrey Hangst, Niels Madsen og de andre forskere måtte derfor sande, at de var nødt til at introducere partiklerne for hinanden på en mere kontrolleret måde. De benyttede sig nu af, at partiklerne befandt sig i en fælde, der har en form lidt som en skål. Antiprotonerne rullede frem og tilbage i bunden af skålen og op langs skålens sider, og ved af ‘banke’ på skålen med den rette frekvens, kunne det lade sig gøre at styre antiprotonerne.

»Det snedige ved det her er, at du ved at banke på skålen får kontrol over partiklerne. Du kan styre partiklerne og meget forsigtigt flytte antiprotonerne til de glider ind og kobler sig til positronerne. På den måde har vi indtil videre fremstillet og fanget 38 antibrint-atomer i magnetfælden,« siger Niels Madsen.

Én ting var at indfange antistof, en anden ting var at bevise, at det rent faktisk er det, man har gjort, og dette var det sidste, afgørende skridt i forsøget.

Den eneste chance, forskerne havde for at ‘se’ antibrint-atomene var, når de ramlede ind i almindeligt stof og blev omdannet til energi – en begivenhed, der kaldes for en annihilation. Når antibrint annihilerer, udsender de bl.a. en slags partikler kaldet for pioner, som man kan opfange med en detektor. Derfor var antibrint-fælden omgivet af detektorer, der kunne opsnappe henfaldspartikler.

Problemet er, at antibrinten ikke er de eneste partikler, som detektoren opsnapper – den registrerer også henfald af partikler fra den kosmiske stråling, der hele tiden tonser igennem systemet. Det problem kunne forskerne heldigvis takle ved at tænde og slukke for magnetfælden.

Den store fordel ved magnetfælden var, at den kunne slukkes i løbet af et splitsekund. Når magnetfælden var tændt, løb der mange hundrede ampere igennem, men strømmen gik fra at være 1000 ampere til 0 ampere i løbet af 30 millisekunder. Det er ifølge Niels Madsen en unik egenskab, som ingen andre magneter kan gøre den efter.

Antiprotonerne bøjer af

Når magnetfælden slukkes, er der ikke længere noget, der holder antibrint-atomerne fast. De slipper derfor fri og banker øjeblikkeligt ind i udstyret, hvorefter de annihilerer. Man skal typisk vente 100 millisekunder for at se en baggrundsbegivenhed. Vi slukker for magneten på 30 mikrosekunder. Mængden af støj detektoren opfanger i den periode var derfor meget lille. Det giver en periode, hvori vi uforstyrret kunne kigge efter annihilationer fra antibrint-atomer,« siger Niels Madsen.

Målet var dog endnu ikke nået, for det var også nødvendigt at sortere de signaler fra, der opstod, når overskydende antiprotoner fra eksperimentet henfaldt i detektoren. Det kunne lade sig gøre at skelne mellem en antiproton og et antibrint-atom ved at lægge et elektrisk felt hen over opstillingen. Forskerne udnyttede det faktum, at antiprotonerne er elektrisk ladede, hvilket betød, at deres baner blev afbøjet af det elektriske felt. Antibrint-atomerne er derimod elektrisk neutrale og opdager ikke feltet.

»I detektoren vil de forskellige partikler have hver deres signatur: Partikler, der ikke bliver afbøjet, men som annihilerer, må være elektrisk neutrale, og det kan kun være antibrint. Det lykkedes os på den måde at vise, at vi havde indfanget 38 neutrale antibrint-atomer, og dermed var vi i mål, og havde dokumentationen i orden,« siger Niels Madsen.