Bakgrunn: Hva er antimaterie?

Speilvendt, og med motsatt ladning: Antimaterien fødes i kjernefysiske kollisjoner og dør i et stråleblaff når den møter vanlig materie.

Published
Materie og antimaterie (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Materie og antimaterie (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no)

En partikkel med antimaterie ser ut som sin motpart av vanlig materie, med to viktige forskjeller:

Den er speilvendt, og har motsatt elektrisk ladning.

Ta for eksempel elektronet, som gir opphav til elektrisk strøm i ledninger. Elektronet er negativt ladet. Antipartikkelen heter positron, og er positivt laget.

Utsletter hverandre

Man kunne tenkt seg at positiv og negativ ladning tiltrekker hverandre, og det er for så vidt riktig.

Men ekteskapet mellom elektron og positron er av det eksplosive slaget. Når de to møtes, utsletter de nemlig hverandre i et glimt av gammastråling, med intens energi.

Antimaterie og vanlig materie kan altså ikke eksistere sammen. De må holdes adskilt for ikke å utslette hverandre.

Det store forsvinningsnummeret

Da universet ble til i Det store smellet for over 13 milliarder år siden, ble det laget like mengder materie og antimaterie. Eller – det burde blitt laget like mengder, ifølge teoriene.

I praksis er vi omgitt av nesten bare vanlig materie. Og hvis det fantes antimaterie i store mengder der ute mellom stjernene, burde vi sett gammastrålingen der antimaterie møtte vanlig materie.

I dette øyeblikk leter flere romsonder etter slike gammablaff fra universets fjerneste regioner. Vi kan ikke se dem fra jorda, for luftlaget stanser disse kortbølgede, farlige strålene.

Men hvis det viser seg at universet er nesten tomt for antimaterie, gjenstår bare en mulighet: Det ble laget ørlite grann mer stoff enn antistoff i universets fødsel.

Da antimaterie og materie utslettet hverandre i universets sydende barndom, var bare denne lille resten av vanlig materie til overs.

Disse to enorme boblene av gammastråling ble oppdaget av Fermi-romteleskopet i november 2010. De kan blant annet skyldes elektron-positronpar som dannen i enorme svarte hull og så utsletter hverandre. (Illustrasjon: NASA)
Disse to enorme boblene av gammastråling ble oppdaget av Fermi-romteleskopet i november 2010. De kan blant annet skyldes elektron-positronpar som dannen i enorme svarte hull og så utsletter hverandre. (Illustrasjon: NASA)

Den lille forskjellen

Forskere har regnet ut at all materie i universet kan forklares på denne måten hvis det bare var et overskudd på en enslig materiepartikkel på en milliard materie-antimateriepar!

Men hvordan oppstod dette overskuddet? Er det en ørliten forskjell mellom en materiepartikkel og en antimateriepartikkel som forskerne ennå ikke har funnet, rett og slett fordi de ikke har kunnet forske på antimateriepartikler?

Symmetrien kan slå sprekker

En måte å undersøke det på, er ved å se om antipartikler av hydrogen har den samme ”fargesignaturen” som vanlig hydrogen.

Forskjellige stoffer svinger nemlig i takt med lys av forskjellige farger.

Skulle det være slik at lysfargen eller frekvensen er litt annerledes, kan det bety at antipartikkelen ikke er perfekt symmetrisk, eller speilvendt, og med perfekt motsatt ladning i forhold til den vanlige partikkelen.

Dermed får den teoretiske standardmodellen i partikkelfysikk problemer med å forklare hva som skjedde i universets første millisekunder. Sagt på en annen måte: Det teoretiske, fysiske verdensbildet får stygge revner.

Forskerne har også vært usikre på om antimaterie har samme tyngdekraft som vanlig materie. Er det slik at en planet av antimaterie ville trukket oss ned med samme kraft som en planet av vanlig materie? Eller vil antimaterie ha anti-tyngdekraft? Nå kan det fangede antihydrogenet kanskje gi svaret.

ALPHA-eksperimentet, CERN (Foto: Niels Madsen, CERN)
ALPHA-eksperimentet, CERN (Foto: Niels Madsen, CERN)

Mange års arbeid

I november 2010 klarte forskere ved det internasjonale forskninssenteret for partikkelfysikk CERN i Genéve å holde 38 atomer av anti-hydrogen på plass i en beholder i et tiendels sekund.

Dette høres lite ut, men er et stort framskritt. For første gang har forskerne en mulighet til å studere antimaterie nærmere.

Fangsten av antihydrogen er en viktig milepæl i flere års arbeid ved CERN i Sveits, Fermilab i USA og andre forskningssentre for partikkelfysikk.

I 1995 ble de ni første antihydrogen-atomene framstilt ved CERN. Et antihydrogen-atom består av et antiproton i kjernen og et antielektron, eller positron, rundt kjernen.

Antiprotonet og positronet framstilles hver for seg, ved at vanlige partikler settes i stor fart i partikkelakseleratorer og kolliderer med hverandre ved nær lysets hastighet. I kollisjonen lages blant annet antipartikler, som slynges ut med stor hastighet.

Bremses og kjøles

Det negativt ladede antiprotonet og det positivt ladede positronet må først bremses opp i såkalte deceleratorer. Så kan de føres sammen til et elektrisk nøytralt antihydrogen-atom.

Men forskerne klarte ikke å ta vare på antimaterie de produserte. Antihydrogen-atomene traff atomer av vanlig materie og ble utslettet.

Noe av problemet var at antihydrogen-atomene var så varme. Når temperaturen er høy, vibrerer atomene kraftig, i det som kalles Brownske bevegelser. Disse bevegelsene fører antipartiklene på avveie, slik at de kolliderer med veggene av vanlig materie i beholderen der de blir laget.

Mye arbeid ble lagt ned i å kjøle ned antihydrogenet. I 2002 forkynte forskerne ved CERN at de hadde klart å lage det første ”kalde” antihydrogenet ved det nye ATHENA-eksperimentet.

Fanget i fella

Men det var ikke nok å kjøle ned antihydrogenen-atomene. De måtte også holdes på plass i beholderen på en eller annen måte.

Elektrisk ladede partikler kan holdes på plass med elektriske og magnetiske felt. Men antihydrogen-atomene var jo elektrisk nøytrale. Hvilke metoder skulle forskerne bruke for å holde dem unna veggene av vanlig materie i vakuumbeholderen?

Forskerne har nå klart å utnytte spinnet til antiatomene. Dette spinnet lager nemlig et magnetisk felt. Dette kan brukes til å holde antihydrogen-atomene fast med et ytre magnetfelt, slik forskerne ved CERN nå har klart.

Positroner i kroppen

Positron-emisjonstomograf (PET)
Positron-emisjonstomograf (PET)

Antimaterie er ikke bare til nytte for fysikere som vil studere det i laboratoriet. Anti-elektroner eller positroner blir rutinemessig brukt i medisinske undersøkelser.

Ørsmå mengder av et radioaktivt stoff sprøytes inn i blodet. Det radioaktive stoffet sender ut positroner, som utslettes når de treffer vanlig stoff i kroppen.

Dermed sendes det ut gammastråler og røntgenstråler, som fanges opp av en instrument, en positron-emisjonstomograf (PET).

Ved å koble det radiaktive stoffet til stoffer som binder seg forskjellige steder i kroppen, kan ulike organer og prosesser studeres i detalj, for eksempel hjerne, hjerte eller områder med kreftceller.

Drivstoff til stjerneraketter

Siden materie og antimaterie utsletter hverandre og blir til ren energi i form av gammastråling, ville antimaterie vært det mest energirike drivstoff vi kunne tenke oss.

En kilo av et slikt drivstoff ville gitt like mye energi som Tsar Bomba, en russisk hydrogenbombe på 50 megatonn TNT sprengkraft, den største noensinne.

Derfor har antimaterie vært foreslått som drivstoff i romskip som skal opp i enorme hastigheter for å nå fram til fjerne solsystemer før astronautene har blitt desperate av vektløshet og yatzyspill.

Selv om dette kan virke som ren framtidsfantasi, har faktisk NASAs Institute for Advanced Concepts gjennomført en studie i 2006, der bruk av positroner som drivstoff i romskip til Mars eller andre planeter i vårt solsystem blir utredet.

Verdens dyreste stoff

I et slikt romskip ville ikke lagringen av antimateriepartiklene være noe problem. De kunne produseres i kjernereaksjoner og forbrukes med en gang.

Et større problem er den enorme prislappen. Foreløpig er nemlig etterspørselen mange ganger større enn produksjonen.

Fra 2002 til 2004 klarte ATHENA og søsterprosjektet ATRAP å produsere flere millioner antihydrogen-atomer. Dette var mange flere enn tidligere, og kan høres mye ut, men i en luftterning på en kubikkcentimeter er det rundt en milliard milliard atomer!

I følge CERN har det kostet rundt en milliard norske kroner å produsere de rundt en milliarddels gram antimaterie som hittil er brukt til materie-antimaterie-kollisjoner.

Og ved full produksjonskapasitet regner CERN med å lage 10 millioner antihydrogenkjerner i minuttet. Det betyr at CERN i beste fall vil kunne ha laget ett gram anti-hydrogen om 100 milliarder år.

Da har de dårlig tid på seg, for universet kan komme til å gå under allerede om 15 milliarder år.

Artistens inntrykk av et framdriftsystem for romskip drevet med antistoff. (Illustrasjon: NASA)
Artistens inntrykk av et framdriftsystem for romskip drevet med antistoff. (Illustrasjon: NASA)

Magnet-hov

Det er derfor ikke så rart at NASA har gjennomført studier for å undersøke om det lar seg gjøre å samle opp antihydrogen-kjerner med en ”magnet-hov” i verdensrommet rundt jorda og Saturn isteden.

Når kosmiske partikler kolliderer med de øverste lagene av atmosfæren, dannes det blant annet antipartikler, som fanges og konsentreres i magnetfeltene rundt disse to planetene.

Slik sett er disse magnetfeltene en gigantisk versjon av det som forskerne ved CERN nå har skapt i en liten beholder, og som i første omgang kan gjøre det mulig for forskerne å studere de mystiske og umedgjørlige, men spennende antipartiklene.

Lenker:

ALPHA-prosjektet, nettsider fra det internasjonale senteret for partikkelforskning CERN

Positron Propelled and Powered Space Transport Vehicle for Planetary Missions, studie av NASA Institute for Advanced Studies og Positronics Research

Extraction of Antiparticles Concentrated in Planetary Magnetic Fields, NASA-initiert studie