Antimaterie. Ordet lukter litt av spennende bøker og filmer der skurker har fått fingrene i antimateriebomber eller romskip som er drevet av antimaterie.

Men hva er det egentlig for noe?

Det vil to av våre lesere, Helle Andersen og Michaela Lukacova, gjerne vite.

Førsteamanuensis Nikolaj Zinner fra Institut for fysikk og astronomi ved Aarhus Universitet i Danmark vil gjerne fortelle om antimaterie.

Materie med motsatt ladning

– Alle de partiklene vi kjenner fra naturen – alt det som får verden vår til å henge sammen – finnes i versjoner med motsatt ladning. Det er antimaterie, sier Zinner.

– Antimaterie er helt likt, for eksempel med samme masse, bortsett fra den motsatte ladningen, som vanlig materie. For eksempel hører det positivt ladede positroner til de negativt ladede elektronene. Positroner er elektronenes antipartikler. 

Det er altså ikke noe spesielt mystisk ved antimaterie. Det er bare materie med motsatt ladning av den materien som omgir oss. Og så er det ikke særlig mye av det, noe som er et mysterium vi vender tilbake til.

– Vi ser ikke antimaterie i hverdagen, men det oppstår i mange situasjoner, for eksempel ved radioaktiv nedbryting, i den kosmiske strålingen og i akseleratorer. Men det forsvinner lynraskt igjen. Når et positron møter et elektron, blir resultatet ren energi i form av to lyspartikler. 

Forsvinner i et lysglimt

– Når du har et elektron og et positron, har de jo motsatte ladninger, og derfor tiltrekker de hverandre. Når de møtes, smelter de sammen og blir til to lyspartikler. Det er en konsekvens av naturlovene, forteller Zinner.

– Massen av de to partiklene blir til energi i form av lyspartikler – fotoner av gammastråling.

– Hvis du hadde en masse antimaterie og brakte det i kontakt med materie, så ville du få en voldsom reaksjon. Energi kan også forvandles til materie og antimaterie – det skjer i partikkelakseleratorer. 

Brukt i medisinske skannere

Det at materier og antimaterie forsvinner og blir til energi, har fascinert forfattere av science fiction-historier.

For eksempel spiller antimaterie en stor rolle i Dan Browns «Engler og demoner», og stjerneskipene i «Star Trek» er drevet av antimaterie.

Men i virkelighetens verden har antimaterie en mer fredelig bruk. Antimaterie i form av positroner skapt ved nedbrytingen av radioaktive materialer brukes ved sykehusene i PET-skannere (Positron Emission Tomografi), som kan gi et bilde av organene og røpe sykdomsaktivitet.

– Antimaterie er ikke så veldig mystisk. Det er en del av naturen vi faktisk har glede av, sier Nikolaj Zinner.

Vi blir også utsatt for ekstra mye antimaterie når vi spiser bananer. De inneholder nemlig kalium, som er litt radioaktivt og sender ut et positron når det bryte ned. Om lag hvert 75. minutt sender en banan ut et positron som raskt treffer et elektron og blir til to gammafotoner.

Det er absolutt ikke noe som er farlig. Man må spise noen hundre bananer før man får en strålingsdose som svarer til et røntgenbilde.

Forutsagt før det ble funnet

En dypere forståelse av antimaterie kan man kanskje få ved å se på historien bak. Interessant nok ble antimaterie forutsagt før det ble funnet.

På 1920-tallet viste det seg at en ny teori som kalles kvantemekanikk var perfekt til å beskrive atomer og elementærpartikler. Men det var ikke så lett å få kvantemekanikken til å passe sammen med relativitetsteorien.

Den unge britiske fysikeren Paul Dirac kastet seg over problemet, og han klarte å finne en ligning som kombinerer kvantemekanikken med den spesielle relativitetsteorien.

Da ble det mulig å beskrive et elektrons bevegelser, selv når farten nærmet seg lyshastigheten.

Men ligningen inneholdt en overraskelse, for den hadde nemlig to løsninger – akkurat som når ligningen x² = 4 har to forskjellige løsninger, nemlig x = 2 og x = -2. Den kunne beskrive det velkjente elektronet, men også en annen partikkel; et elektron med negativ energi.

Funnet i et tåkekammer

En partikkel med negativ energi gir ikke så mye mening, og Paul Dirac tolket det som en partikkel som var helt lik elektronet, bortsett fra en motsatt ladning.

Ifølge beregningene måtte det samme gjelde for alle elementærpartikler.

Nå startet jakten på antielektronet. Den amerikanske fysikeren Carl Anderson brukte et tåkekammer til å se spor etter partikler med opprinnelse i verdensrommet, og i 1932 oppdaget han et spor etter en partikkel som hadde samme masse som elektronet, men motsatt ladning.

Det var Diracs antielektron, som fikk navnet positron (en sammentrekning av «positivt elektron»). Siden den gang har det blitt oppdaget mange nye antipartikler.

Universets startet som ren energi

Dirac forestilte seg at fjerne stjerner – kanskje halvparten av alle på himmelen – kunne være bygget opp av antimaterie i stedet for materie.

Det fremgår for eksempel av talen han holdt da han mottok nobelprisen i fysikk i 1933.

Men i dag vet vi at alt i universet er skapt av materie og ikke antimaterie. Og det er faktisk litt av et mysterium, for ganske tidlig i universets historie må det ha vært skapt like mye av begge deler, forklarer Nikolaj Zinner:

– Hvis vi spoler universets utvikling tilbake, blir energiene høyere og høyere. Tettheten blir større, temperaturen stiger. Til slutt blir alt til ren energi – kraftbærende partikler som fotoner. Slik startet universet ifølge våre beste teorier. 

– Og når vi har startet fra det utgangspunktet, så må energien ha begynt å bli til materie på etter eller annet tidspunkt. Man kan godt skape materie fra ren energi, men da skaper du like mye materie som antimaterie. Det er problemet – man ville forvente like mye av hvert. 

– Det må være en egenskap ved naturlovene som gjør at det er mer materie enn antimaterie igjen i dag. Og det skal ikke så mye til – bare en ørliten ubalanse. Så kan asymmetrien forklares.

Nøytrinoer kan kanskje løse gåten

Det store spørsmålet er hvor i naturlovene bakgrunnen for materiens seier over antimaterien skal finnes. Det prøver fysikerne å finne ut ved å foreta eksperimenter.

Ved forskningssenteret CERN i Sveits kan antimaterie produseres og fanges inn i magnetfelt, og med en rekke antihydrogeneksperimenter forsøker fysikerne å få svar på om materie og antimaterie faktisk er nøyaktige speilbilder.

Kanskje er det likevel en liten forskjell, bortsett fra ladningen, og den forskjellen kunne forklare hvorfor det finnes så mye materie i forhold til antimaterie.

Videnskab.dk skrevet en del om forsøkene, som inntil videre viser at antimaterie oppfører seg nøyaktig som materie, som det for eksempel fremgår av artikkelen Aarhus-forsker har laget de mest presise målingene av antihydrogen noensinne.

Og ligger løsningen på mysteriet hos de elementærpartiklene som kalles nøytrinoer. Det har videnskab.dk skrevet om i artikkelen Iskaldt eksperiment skal avsløre materiens hemmelighet.

– Man kan ha et håp om å finne et svar hos nøytrinoene, fordi vi allerede vet at de oppfører seg ganske underlig. Her er det fortsatt noen hull i fysikken, så det er fornuftig å forsøke her, mener Zinner.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.