Dansk fysiker i kapløb om at løse antibrint-gåden

Den danske fysiker Niels Madsen kigger på uret. Klokken er 22, og det er på høje tid, at han lukker og slukker kontrolrummet i laboratoriet, tager elevatoren op til jordoverfladen og forlader CERN til fordel for sin seng. Men i dag har hans forskergruppe, ALPHA, haft susende travlt med at optimere forsøgsopstillingen.Tiden er galoperet afsted. Han har nu mest lyst til at blive, for hans gruppe jagter svaret på en af universet største gåder: hvorfor findes der kun stof og ikke antistof i universet? Og de er nu uhyre tæt på et gennembrud.

Arbejdet har stået på i årevis, og det har været ekstremt spændende hele vejen. Ofte er der blevet arbejdet igennem til langt ud på aftenen. Men aldrig har det været så intenst som nu. Specielt de sidste par måneder har de skruet voldsomt op for tempoet, og han behøver bare at løfte blikket for at blive mindet om hvorfor. Lige uden for kontrolrummets plastikvinduer tårner konkurrentens forsøgsopstilling sig op. Forsøgsopstillingen ejes af det amerikanske hold, ATRAP, der forsøger at løse præcis den samme gåde.

Hidtil har ATRAP haltet bagefter ALPHA, men den råhvide damp fra forsøgsopstillingen vidner om, at der er noget i gærde. ATRAP er ved at komme efter det, og hvis ALPHA ikke passer på, bliver de overhalet indenom. Begge hold spår, at de kun er få måneder fra målet. Men hvem løber af med sejren?

Hinandens spejlbilleder

Selv om de to grupper kæmper om at løse den samme gåde, så er de paradoksalt nok tvunget til at arbejde side om side, for CERN er det eneste sted i verden, der er gearet til den slags forsøg. CERN, som er det europæiske center for højenergifysik, huser nemlig en såkaldt proton-cyklotron, der producerer antistof-partikler ved at banke protoner sammen med lysets hastighed. Begge hold har brug for disse partikler, for at kunne danne antistof. Derfor bliver de nødt til at finde sig i, at de skal ‘dele kontor’ med fjenden.

»Mange af samtalerne på tværs af grupperne er et spil, hvor man forsøger at få noget information, uden selv at give nogen… men vi kan dog godt låne værktøj og den slags af hinanden,« siger Niels Madsen til videnskab.dk.

Kvantemekanikken til test De to forskerhold kæmper om at komme først med svaret, fordi der er rigtigt meget på spil. Ikke alene vil løsningen på gåden give forskerne en vigtig brik i forståelsen af, hvordan vores univers er blevet skabt ved Big Bang, og hvordan det har udviklet sig frem til i dag. Svaret vil også teste kvantemekanikken, der regnes for en af grundpillerne i den moderne fysik.

Noget tyder på, at der er fejl i teorien, og hvis fejlene er grove nok og ikke kan fjernes, kan det ende med, at fysikerne bliver nødt til at skrotte den. Et sådant resultat ville være ekstremt opsigtsvækkende, overraskende og meget foruroligende. Men det ville også være et stort videnskabeligt gennembrud, som med stor sandsynlighed kunne udløse en nobelpris.

Ifølge kvantemekanikken blev der skabt lige meget stof og antistof under universets fødsel. Samtidigt skulle stof og antistof opføre sig fuldstændigt ens – de burde kort sagt være hinandens spejlbilleder, en påstand, der er beskrevet i kvantemekanikkens såkaldte CPT-teorem (se nederst på siden). Men selv ikke de største teleskoper har kunnet opspore de store mængder antistof.

Alting ser ud til at bestå af stof. Forskerne har længe undret sig over, hvorfor, og en mulig forklaring er, at stof og antistof rent faktisk ikke er hinandens spejlbilleder. I så fald er der altså en fejl i kvantemekanikken, og det er den fejl, som de to fysikergrupper nu forsøger at finde. »Vi vil kigge antistoffet i kortene og så sammenligne det med hvordan almindeligt stof opfører sig. Hvis der er en forskel på stoffet og antistoffet, så sender vi kvantemekanikken tilbage til tegnebordet,« siger Niels Madsen. Antistof og stof forvandles til energi Det der med at ‘kigge antistof i kortene’ er dog lettere sagt end gjort. Det kræver nemlig, at forskerne kan producere det i store mængder, og det har vist sig at være ekstremt svært. I 2003 lykkedes det godt nok det daværende internationale fysikerhold ATHENA, som Niels Madsen også var medlem af, at producere i tusindvis atomer af den mest simple form for antistof, nemlig antibrintatomer. Problemet var bare, at antibrinten forsvandt i det øjeblik, det ramte almindeligt stof, for når stof og antistof mødes, bliver det omdannet til energi. Der går derfor kun et splitsekund fra, at antistoffet bliver skabt, til at det hamrer ind i laboratorieudstyrets vægge og bliver tilintetgjort.

»Det er ekstremt nervepirrende lige nu, for tiden er knap og amerikanerne ånder os i nakken« – Niels Madsen

Grupperne ved godt, hvad de skal gøre for at forhindre antibrinten i at komme i kontakt med almindeligt stof: De skal lokke antibrinten i en fælde, og den eneste måde at gøre dét på er ved hjælp af et magnetfelt. Desværre er magnetfeltet kun i stand til at holde antibrinten fast, hvis antibrinten er ekstremt kold. Faktisk må antibrintens temperatur kun være én grad over det absolutte nulpunkt, altså skal det have en temperatur på -272 grader Celcius eller én Kelvin.

Antistoffet er alt for varm

Når antibrinten banker ud af cyklotronen, er den imidlertid flere hundrede grader varm. Den store udfordring er derfor at afkøle antistoffet så meget, at den magnetiske fælde virker. Siden 2003 har forskerne forsøgt at løse problemet med to omfattende ombygninger af hele forsøgsopstillingen. Ombygningerne gav noget på varmeregnskabet, men langt fra nok. Siden 2007 har forskerne derfor stået på hovedet, for at køle antistoffet yderligere ned, og det er netop denne proces, de stadig er i gang med.

»Vi har fundet ud af, at en del af varmen kommer fra selve apparaturet, så det, vi arbejder med lige nu, er at køle apparaturet ned,« siger Niels Madsen.

Problemet er, at man skyder sig selv i foden ved at køle hele forsøgsopstillingen ned. En god elektrisk leder er nemlig også en god varmeleder, så jo koldere apparaturet er, des dårligere virker det. En total nedkøling ville derfor lamme forsøget.

Fysikerne kan kun løse problemet på den hårde måde, nemlig ved at kigge på samtlige forbindelser i opstillingen. Fysikerne gennemgår ganske enkelt forbindelserne én for én og vurderer, om det er vigtigt, at netop dene forbindelse virker optimalt eller ej. Skal den virke optimalt, skal fysikerne holde fingrene fra den. Er det kun nødvendigt at den virker sådan nogenlunde, kan de godt køle den ned.

»Det siger sig selv, at denne proces tager uhyggeligt lang tid, for udstyret rummer tusindvis af ledninger. Vi må hele tiden gøre op med os selv, hvor vi skal sætte ind, for vi er jo i høj grad i konkurrence med amerikanerne. På hvert eneste gruppemøde diskuterer vi hvor vi skal sætte vores kræfter ind og hvad vi pt ikke skal gøre noget ved, så vi på den ene side gør fremskridt og på den anden side sikrer, at de andre ikke overhaler os,« siger Niels Madsen.

Amerikanerne var på vildsporALPHA er dog, så vidt Niels Madsen kan vurdere, stadig lidt foran, specielt med hensyn til udviklingen af de magnetfelt, som skal holde antibrinten fast, så den ikke kommer i kontakt med almindeligt stof. I årevis har amerikanerne stædigt holdt fast i, at der ikke skulle mere end fire magneter, en såkaldt quadropol, til at skabe dette magnetfelt. ALPHA mener derimod at det er nødvenigt at bruge otte magneter, en oktopol.

»Vi er overbeviste om, at amerikanernes quadropol er et vildspor, og at vores opstilling, også på dette punkt, er betydeligt bedre. Men noget tyder på, at amerikanerne er ved at indse det, for vi har hørt rygter om, at de nu også har investeret i en oktopol. De forfølger altså nu samme vej som os, så derfor er det tvingende nødvendigt, at vi får testet vores forsøgspstilling løbet af i år,« siger Niels Madsen.

ALPHA har programsat de første tests fra den 23. juni, og herefter går det stærkt. I løbet af nogle få måneder vil fysikerne kunne få afklaret, om deres apperatur er i stand til at fastholde antibrinten. Kan den det, er døren åbnet til at kunne gennemføre de egentlige forsøg.

»Studierne af antibrint er dog ikke noget, vi kan gennemføre i 2009. Vores tidshorisont lige nu er, at vi kan finde et svar på gåden i løbet af de næste fem år. Problemet er, at vi producerer for få atomer. Før vi kan påbegynde de egentlige forsøg, skal antallet betydeligt højere op, og det er den næste ting, vi må kigge på,« siger Niels Madsen.

I første omgang gælder det om at vinde kampen om at være de første til at kunne fastholde antistof. Og her gælder mange kneb, men der er dog grænser for, hvor langt forskerne vil gå for at vinde.

»Well, i princippet kunne man vel godt forestille sig, at nogen ville have lyst til at udspionere og indstallere mikrofoner og den slags. Men udover at jeg ikke tror nogen kunne finde på det, så vil det være enormt ressource krævende at forsøge at lytte dagevis af diskussioner igennem for at se, om der er en idé man ikke selv har fået, og så er vores apparater jo ikke helt ens, og strategier heller ikke. Spænde ben kan man måske godt forestille sig, men ikke på noget seriøst plan.«

Det hold, der kommer først, får berømmelse, hæder og ære – og måske en nobelpris?

»Ja, hvis man finder en forskel på antibrint og brint. Det er mere spektakulært at afkræfte end at bekræfte en teori. De forskere, der får Nobelprisen, har opnået et resultat, der flytter grænser i fysikken. Èn ting er, at du laver noget vildt godt og om du laver noget, der er vigtigt. Det er svært at vurdere, men viser vores eksperimenterer at der er en forskel på brint og antibrint, så CPT-teoremet ikke holder, vil det have ret store konsekvenser. Så skal kvantemekanikken rettes eller skrottes. Men det er der absolut ikke nogen, der forventer. Vi regner med, at vi bekræfter teoremet – og dermed ikke får nogen pris,« siger Niels Madsen.