Fysikere jager anti-materiens gåde

Man skulle måske tro at ordet anti-materie stammer fra en middelmådig science fiction-historie. Men fænomenet er helt reelt, og kan genskabes i laboratorier ved tilstrækkelig høj energi og temperatur.

Verdens største partikelaccelerator, Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz, er præcist sådan et laboratorium.

Vandt over anti-materien

Efter en meget vellykket opstart den 10. september, stiger forventningerne til hvad LHC og de fire enorme detektorer, som er koblet til acceleratoren, kan finde af ny viden.

En af gåderne som forskerne fra CERN (den europæiske organisationen for kerneforskning) håber på at løse, er hvorfor universet har materie. I de første øjeblikke efter Big Bang, så det nemlig ikke særligt lyst ud for at stjerner, planeter, mennesker og dyr overhovedet ville kunne eksistere.

Modsat fortegn

Men først lidt mere om hvad denne mystiske 'anti-materie' egentlig er for en størrelse.

Den er beskrevet som et modstykke, eller et slags spejlbillede, til materie. Ifølge den anerkendte standardmodel (en anerkendt teori som forsøger at forklare de grundlæggende kræfter i universet) er materie-partikler nemlig også udstyret med anti-partikler.

En anti-partikel vil for eksempel have den samme elektriske ladning som materie-partiklen, men med modsat fortegn.

Udsletter hinanden

Når materie-partikler og anti-partikler møder hinanden, opstår den dramatiske effekt, at de udsletter hinanden. Til gengæld efterlader partiklerne energi.

Denne gensidige udslettelse og udløsning af energi er det, som forskerne mener, fandt sted under Big Bang, altså ved universets begyndelse for omtrent 13,7 milliarder år siden.

Ursuppe

Forskerne fra CERN mener, at der fandtes en fuldstændig symmetri mellem materie og anti-materie i de første bittesmå øjeblikke efter Big Bang. Universet bestod da af en såkaldt ursuppe, med ufattelig høj temperatur og tæthed.

Hvis den ligeværdige tilstande mellem materie-partikler og anti-partikler havde varet ved, havde det været dårligt nyt for mennesker, vækster og dyr. Med nøjagtig lige mange materie-partikler som anti-partikler, ville nemlig hverken stjerner, planeter, mennesker eller dyr være blevet til.

Forsvandt hurtigere end materien

»Men omtrent en hundrede-del af en milliardene-del sekund efter Big Bang, begyndte der at ske ting og sager,« forklarer den norske fysiker Olav Ullaland.

Han er nu forsker ved LHCb, en af de fire enorme detektorer som er koblet til partikelacceleratoren udenfor Geneve i Schweiz.

»Anti-partiklerne begyndte at forsvinde i et lidt højere tempo end materie-partiklerne. Materien fik et lille overtag i forhold til anti-materien,« fortæller Ullaland, da vi møder ham ved CERN udenfor Geneve.

Nøjagtig hvorfor og hvordan dette skete, er imidlertid fortsat et mysterium. Men nu har LHC og LHCb-detektoren fået til opgave at finde svaret.

Andrej Sakharov

Grundlaget for meget af den videnskabelige forståelse av materie, anti-materie og symmetri blev lagt af den kendte, russiske fysiker Andrej Sakharov. I 1966 lancerede han teorien om at der måtte være opstået et brud på den perfekte symmetri mellem materie og anti-materie. Sakharov mente, at dette var en tre hovedforudsætninger for at masse eksisterer i universet.

Sakharov mente, at den positive afvigelse for materie-partikler var omtrent én ud af tusind, et tal som siden er blevet opjusteret. Bruddet på symmetrien kan tænkes som et spejl, der ikke kan klare at give et helt identisk billede af det, som spejler sig. 



Enormt digitalkamera

Large Hadron Collider er hele syv gange kraftigere end nogen anden partikelaccelerator som er bygget. De energi-niveauer, som kan opnås er så kraftige, at acceleratoren måske vil kunne kaste nyt lys over nogle af teorierne omkring materie og anti-materie.

Selve acceleratorens opgave er at kollidere proton-partikler mod hinanden med næsten lysets hastighed, mens detektoren står klar med udløserknappen.

»Detektoren kan sammenlignes med et digitalkamera. Vi skal ganske enkelt tage billeder af, hvordan materie-partikler og anti-partikler opfører sig under kollisionen,« forklarer Ullaland.

LHCb er imidlertid ikke et kamera, man lige putter i lommen. Detektoren er over 20 meter lang, og vejer 4.500 ton.

Stærke magneter

I fuld drift vil selve partikelacceleratoren producere intet mindre end tusind milliarder partikel-kollisioner årligt ved LHCb-detektoren.

Når protonerne støder ind i hinanden, vil de spaltes i endnu mindre partikler. Disse partikler vil have en elektrisk ladning, noget forskerne har udnyttet ved at montere yderst kraftige magneter omkring detektoren.

»Magneterne vil påvirke de ladede partiklers baner. Måden som banerne afbøjes på, vil røbe partiklernes energi-niveauer,« forklarer Ullaland.

Kunne ikke finde flyet

Dermed vil man kunne få helt ny indsigt i hvordan materie og anti-materie reagerer i forhold til hinanden, og måske forstå hvorfor materien fik overtaget.

»Man kan tænke sig LHC som en tidsmaskine. Ved at genskabe forholdene lige efter Big Bang, kan vi studere hvordan materie-partiklerne og anti-partiklerne opførte sig for næsten 14 milliarder år siden. Det er ganske fantastisk,« siger Ullaland entusiastisk.

Selv kom han til CERN i 1973, som nyudklækket cand.real. fra Universitetet i Bergen allerede i 1973. Siden blev han hængende ved denne ledende forskningsinstitution, midt i hjertet af Europa.

»Jeg kunne vist ikke finde flyet hjem igen,« siger han og ler.

Nu håber den norske forsker i stedet på at kunne finde forklaringen på, hvorfor alle ting eksisterer.

© forskning.no. Oversat af Johnny Oreskov.