Kort forklart om forskningen på antimaterie
- Professor Thomas Bondo Pedersen og fysiker Antoine Camper forsker på antimaterie.
- De ønsker å forstå hvordan materie oppfører seg og hvorfor antimaterie forsvant etter Big Bang.
- Forskningen starter med å lage en modell av et atom som består av både materie og antimaterie.
- Eksperimentene krever nytt utstyr på CERN, og kostnaden er estimert til 10 millioner kroner.
Kanskje er teorien om Big Bang ufullstendig, undrer professor i teoretisk kjemi ved Universitetet i Oslo, Thomas Bondo Pedersen.
– Teorier har blitt forkastet for mindre, sier han.
Sammen med fysikeren Antoine Camper skal Pedersen forske på antimaterie ved å lage et atom som består av både materie og antimaterie. Målet er å forstå hvordan materien oppfører seg. Kanskje kan det forklare hvorfor antimaterien forsvant etter the Big Bang.
– Det kan være egenskaper ved antimaterie som vi ennå ikke forstår, eller kanskje er det noe som ikke stemmer helt i teorien om the Big Bang, sier Pedersen.
Antimaterie har mange av de samme egenskapene som materie, men motsatt ladning. Forskerne vil gjøre mange ulike eksperimenter for å finne ut mer.
Lager en modell for å vite hva de skal se etter
For Pedersen og Camper begynner forskningen med å lage en detaljert modell av hva de tror kommer til å skje når antimaterie og materie er en del av samme atom.
– Atomer som består av materie og antimaterie er bevist å kunne eksistere i kort tid eksperimentelt, men teoretisk er det vanskelig å regne på. Derfor må vi regne på det grundigere, forteller Camper.
– Vi vil lage veldig nøyaktige utregninger, simulere eksperimentet og forutsi hva som skjer. Hvis vi kan gjøre det presist nok, og så gjøre eksperimentet og sammenlikne, bør vi kunne si noe om hvorvidt teorien stemmer eller ikke, legger Pedersen til.
Å gjøre slike utregninger er ikke trivielt, for forskerne har ikke har en fullstendig teori.
– Vi bruker fremdeles en modell når vi regner på kvante-elektrodynamikken. Det er fordi den fullstendige teorien tillater et uendelig antall friheter, sier Pedersen.
Antimaterie + materie = lys
Antimaterie er som all annen materie, bortsett fra at den har motsatt ladning. For eksempel har et elektron (vanlig masse) negativ ladning og et positron (antimaterie) har positiv ladning. Når materie og antimaterie møtes annihilerer de: Det vil si at de smelter sammen og blir til lys.
Forskerne trenger mer utstyr på CERN
Når modellen er klar håper Pedersen og Camper på å få penger til å gjennomføre eksperimentet i praksis. Ifølge Camper er CERN det beste stedet å gjøre det:
– Positroner kan produseres flere steder, men CERN har mange andre instrumenter som vi trenger til denne typen forskning, sier Camper.
I tillegg til eksisterende infrastruktur må det også settes opp noe nytt dersom eksperimentet skal gjennomføres.
Med jevne mellomrom blir hele partikkelakseleratoren på CERN stengt ned for vedlikehold og oppdateringer. Neste gang det skjer er i 2025. Da håper Camper at de kan de kan få penger til å bygge utstyret de trenger.
Kvante-elektrodynamikk
Teorien om kvante-elektrodynamikk beskriver hvordan elektromagnetiske felter og feltet til ladde partikler, som elektroner, påvirker hverandre.
– Å bygge atto-sekund-laser vil koste mellom 100–400 tusen euro å bygge. I tillegg trenger vi kilden til anti-materie, en ione-kilde og området vi fanger dem i. Antagelig snakker vi om 10 millioner kroner, bare for å bygge eksperimentet, sier Camper.
– For å få så mye penger er det viktig at vi kan si noe om hva vi kommer til å se. Derfor må vi ha utregningene klare, forklarer han.
Antimaterie faller også ned
Hvis de får pengene, er planen klar: Atomet de skal lage er et klorid-ion med et positron. Klorid-ionet er vanlig materie, mens positronet er elektronets antipartikkel. Et positron har samme vekt som et elektron, men det har motsatt ladning. Klorid-ionet er negativt ladet slik at det vil tiltrekke seg det positivt ladde positronet.
– Antimaterie har motsatt ladning av vanlig materie, forklarer Pedersen. Men nylig er det vist at tyngdekraften virker likt på materie og antimaterie. Det vil si at partiklene faller samme vei.
Ifølge Pedersen er det først og fremst den elektriske ladningen som er forskjellen på materie og antimaterie – som vi vet om.
Pedersen forteller at ladningsforskjellen er det som gjør det mulig å lage et stabilt atom med materie og antimaterie.
Når de to forskerne snakker om stabilitet er det snakk om nanosekunder, men det er gode grunner til at de mener at dette er et hav av tid.
Nanosekunder er en evighet for et elektron
For forskerne er nanosekunder nærmest en evighet, fordi måleenheten de bruker er attosekunder – en milliard ganger mer finfordelt enn nanosekunder.
– 150 attosekunder er den tiden et elektron bruker på å gå rundt en atomkjerne, altså ett elektron-år, forklarer Pedersen.
Derfor vil et par nanosekunder være nok tid til å se elektronet og positronet gå rundt atomkjernen mange ganger, og se hva som skjer etter det. Om positronet forlater atomkjernen eller om det annihilerer. Dersom partiklene annihilerer vil de smelte sammen og bli til lys.
Når noe kan observeres på så korte tidsskala åpner det opp for interessante muligheter, noe som ble understreket da forskerne bak de første attosekund-målingene fikk Nobelprisen i 2023.
Lyset kan manipulere materien
Ifølge teorien om kvante-elektrodynamikken så er det en sammenheng mellom lys og materie. Denne forbindelsen fører til noen interessante kvanteeffekter. Derfor går noe av eksperimentet ut på å manipulere materien ved hjelp av laserpulser.
– Ved å sende laserpulser på molekylet kan vi får molekylet til å oppføre seg på måter det vanligvis ikke gjør. Lyspulsene kan kommunisere med elektronene for dette er deres tidsskala, forklarer Pedersen.
Pedersen åpner for at denne forskningen vil gjøre det mulig å ha ekstremt god kontroll på elektronene.
– Når vi kan bestemme hva elektronene gjør, da kan vi kanskje også bestemme hva molekyler skal gjøre, sier Pedersen, men så langt er det ikke fullstendig klart hva som egentlig foregår.
Mer kunnskap kan gi en helt ny måte å gjøre kjemi på
Derfor synes Pedersen at denne dynamikken blir veldig interessant å studere nærmere.
– Egenskaper ved et materie-antimaterie-molekyl vil gi oss bedre innsikt i kvante-elektrodynamikk. Hvis det vi vet om denne teorien er feil, så er alt vi vet om verden feil. Du kan si at kvante-elektrodynamikk er regelen som gjelder for absolutt all kjemi, mener Pedersen.
Ved Hylleraas-senteret, der Pedersen er leder, er en del av forskningen rettet mot å utvikle metoder for å studere hvordan atomer og molekyler kan kontrolleres med laser.
I tillegg utvikler de metoder for å regne på kvante-elektrodynamikken på ulike måter. Ettersom det ikke finnes metoder for å regne på kvante-eletrondynamikken for anti-materie, er dette et helt nytt felt.
– Vi går fra å studere naturen, til å fortelle den hva den skal gjøre. Dette er første steg til en helt ny måte å gjøre kjemi på, mener han.
Elektronets posisjon er sentral i svært mye teknologi, fra solceller til kvante-datamaskiner, men før det er mulig å utnytte mulighetene som ligger i å kontrollere elektronene må vi forstå kreftene som er i sving, sier Pedersen.
Bedre innsikt i antimateriens egenskaper vil kanskje kunne kaste lys over mysteriet om hva som egentlig skjedde med den og hvorfor den ble borte etter Big Bang.
Les også disse sakene fra Universitetet i Oslo:
forskning.no vil gjerne høre fra deg!
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER
