I antimaterie-fabrikken

På CERN har forskerne satt opp verdens eneste antimateriefabrikk. Kanskje kan den gi oss svar på hvorfor vi finnes.
23.11 2013 05:00


For å komme inn må vi igjennom en smal gang mellom veggen og en haug av betongblokker som er bygd rundt partikkelbanen.

Utenfra ser antimaterieverkstedet ut som alt annet på forskningssenteret CERN:

En diger, halvsliten bølgeblikkhall i sekstitallsstil. Stygg som juling. Vi skjønner ikke engang hvor inngangen er. Men til slutt blir det hutrende lille følget av journalister heldigvis funnet av forsker Michael Doser.

Han leder oss ned i bakken, inn en garasjedør og igjennom en lang, smal sprekk mellom en murvegg og en formidabel stabel av betongklosser. (For å stoppe radioaktiv stråling, sier Doser) Det er først etter å ha klatret opp to lange gittertrinntrapper at vi ser hva hallen huser:

I en ring langs veggene ligger en passe liten partikkelbane – et sirkelformet rør av magneter og elektronikk, hvor ørsmå partikler kan suse rundt i stor fart.

På gulvet og på plattformer i resten av rommet står den fantastiske haugen av måleinstrumenter, ledninger, datamaskiner og tanker med ufattelig iskald gass som skal til for å lage antimaterie.

Eller for å være mer presis: Antihydrogen – universets eget vrengebilde av det kjente stoffet hydrogen.

Et stort mysterium

I 2010 rapporterte Doser og kollegaene hans stolt at de hadde klart å fange hele 38 antihydrogenatomer i et rør. Nå er produksjonen nede, men når maskineriet drar i gang om noen måneder er effektiviteten økt betydelig:

Opptil 100 antihydrogenatomer i sekundet, når alt går som det skal. 

Men likevel: Summerer man kostnadene for partikkelbanen, utstyrshaugen, arbeidstimer for teknikere og forskere, og energien som skal til for å holde hele sirkuset gående, er det snakk om atomer med relativt høy stykkpris.

Særlig tatt i betraktning at du trenger rundt en milliard milliarder atomer for å fylle en liten gassterning på én kubikkcentimeter.

Hva skal vi med dette hinsides kostbare antimaterialet?


Michael Doser tipper han er pensjonist før de store svarene kommer ut av Antiproton Decelerator.

Joda. Vi trenger det for å komme til bunns i et av universets store mysterier, roper Doser over skramlet fra en svær kran som ruller forbi over hodene våre.

Studier av antimaterie kan nemlig gi oss svar på hvorfor vi er her. Ja, ikke bare vi menneskene, men jorda, sola og hele sulamitten. I teorien burde vi nemlig ikke eksistert.

For å forstå hvorfor, må man vite litt om både materie og antimaterie.

Det motsatte av stoff

På en måte kan man si at antimaterie er omtrent det det høres ut som: Det stikk motsatte av materie, som er betegnelsen for alt stoffet som finnes i oss, jorda, sola og resten av universet.

Ta antihydrogen og hydrogen. De er hverandres identiske tvillinger på de fleste måter. Men elektrisk sett er hydrogenet og antihydrogenet vrengebilder av hverandre:

Et vanlig hydrogenatom er lagd av et proton med positiv elektrisk ladning og et elektron med negativ ladning. Antihydrogenet er derimot satt sammen av et negativt ladet proton og et positivt elektron.

I praksis betyr dette at antihydrogenet og hydrogenet er så til de grader det motsatte av hverandre, at de fullstendig opphever hverandre om de møtes. Hydrogenet og antihydrogenet går opp i hverandre og etterlater seg bare et blaff av energi.


Antimaterie er identisk med vanlig materie bortsett fra at antimaterien har omvendt ladede atomer. Når de to møtes oppheves de i et energiblaff. (Illustrasjon: AEgiS)

Forståelig nok betyr dette at materie og antimaterie ikke kan oppholde seg på samme sted. Og dermed finner du altså forsvinnende lite antimaterie på jorda.

Ikke for det – det dukker til stadighet opp partikler av antimaterie på jorda. Radioaktive materialer lager for eksempel antipartikler. I kroppen din poppe det fram over hundre anti-elektroner hver time. De kommer fra det radioaktive stoffet kalium 40, som vi får i oss fra luft, mat og drikke.

Men før du får sukk for deg, treffer anti-elektronene vanlige elektroner i kroppen din Dermed forsvinner antipartikkelen for alltid.

Disse forsvinningsnumrene er imidlertid knyttet til et dypt mysterium ved vår verdens eksistens.

Energi = partikler = energi

All materie i verden – altså alt stoffet som du, jorda og galaksene er bygd opp av – er lagd av energi. Slik virker nemlig naturen: Energi og stoff er i bunn og grunn det samme. Partikler kan bli til energi og energi kan forvandle seg til partikler. Det var nettopp sistnevnte som skjedde den gangen universet ble til.

Den ufattelige mengden energi som slapp løs i Det store smellet, forvandlet seg til partikler.

Men en partikkel kommer aldri alene. Når energi forvandler seg til stoff, popper det alltid opp to tvillingpartikler: En partikkel og en antipartikkel. Dette er svært godt dokumentert, forteller Heidi Sandaker fra Universitetet i Bergen, en av åtte norske forskere som jobber med antimaterie i CERN.

- Sånn er det bestandig både når vi observerer naturen og når vi gjør eksperimenter. Vi klarer ikke å få en partikkel uten en antipartikkel. Derfor tenker vi at det samme må ha skjedd i Det store smellet.

En rest av materie

Det burde altså blitt lagd nøyaktig like mye materie som antimaterie. Stoffene burde så ha opphevd hverandre fullstendig og blitt til energi igjen. Men slik gikk det jo ikke. Tvert imot er universet vårt fullt av vanlig materie.

Derfor tror fysikerne at det må være en liten forskjell mellom materie og antimaterie. Før universets første sekund var over, hadde all antimaterien og det aller, aller meste av materien klikket sammen og forsvunnet. Igjen svevde et lite overskudd av materie – altså stoffet som finnes i verdensrommet i dag.

Og da er vi kommer til det store spørsmålet: Hvorfor blir det produsert bitte, bitte litt mer materie enn antimaterie?

I 2013 kom de første hintene om noe av grunnen. Forskere ved CERN hadde funnet ut at noen fysiske prosesser lager bitte litt flere partikler enn antipartikler.

Forskjellen er imidlertid ikke stor nok til å kunne forklare all materien vi har i universet. Det må være noe mer. Men hva?

Det er her antihydrogenet ved Antiproton Decelerator kommer inn, sier Doser.

Sakker farten

Antiproton Decelerator kunne nok aldri fått noen rolle i en sci-fi-film fra Hollywood. Til det er den alt for rotete. For en utenforstående ser den ut som et herlig kaos av tunge maskindeler, rør, gasstanker, mystiske måleduppeditter og stabler av elektronikk med ledninger i alle retninger.


Selve partikkelbanen går langs sidene i hallen, men er skjult bak blokker av betong. De stopper stråling som lages når anlegget er i gang.

Men det er slett ikke oppsiktsvekkende her på CERN. Etter utseende å dømme skulle man tro at hallen inneholdt en helt vanlig akselerator, som det finnes flere av rundt om på området.

En akselerator er en bane hvor forskerne akselererer ørsmå partikler opp i en svimlende fart – bare litt under selve lyshastigheten. Men Antiproton Decelerator (AD) er ingen akselerator. Det er snarere det stikk motsatte.

Den sakker ned antiprotoner som kommer inn fra en annen akselerator. De ørsmå antipartiklene går med 96 prosent av lyshastigheten når de ankommer. I AD sakkes farten til bare 10 prosent av lyshastigheten.

Da kan antiprotonene møte antielektroner, og de to kan koble seg sammen til antihydrogenatomer med ett antiproton og ett antielektron.

- Der nede, i den runde tanken, blir antihydrogen fanget, sier Doser og peker.


Inni den tykke sylinderen sitter et tynt, gullbelagt rør hvor antihydrogenes skal holdes i super-nedkjølt tilstand.

Midt inne den tjukke sylinderen sitter et tynt, gullbelagt rør hvor antiatomene kan oppbevares en stakket stund. I det kaldeste stedet på kloden. Røret må holde temperaturen på -272,5 grader, bare en halv grad over det absolutte nullpunkt – den kaldeste temperaturen som finnes.

Mange eksperimenter

Rundt partikkelbanen i den store hallen ligger flere slike eksperimenter, som kan være med på å avsløre små forskjeller mellom antihydrogen og hydrogen.

Vi kan se navnene til ulike prosjekter malt på veggene eller montert som plansjer over utstyret i hallen: ALPHA, ASACUSA, ATRAP. Finurlige akronymer for noe med antimaterie.

En av de største utfordringene er imidlertid å bevare antihydrogenet lenge nok til at man rekker å studere det. For hvordan oppbevarer du noe som forsvinner i første møte med alle typer gasser, væsker og faste stoffer?

I 2011 stod jubelen antagelig i taket da forskerne klarte å bruke elektriske og magnetiske felter til å holde 300 antihydrogenatomer fanget i en lufttom beholder i hele 16 minutter.

Venter ingen forskjeller

Akkurat nå er det stans i antihydrogenproduksjonen. Nå finjusteres utstyret mens hele CERN er nede for en planlagt driftsstans. Til neste høst kjører alt i gang igjen, og forskerne håper å få de første målingene i hendene før 2014 er historie.


Hallen huser flere eksperimenter med antimaterie. For en utenforstående kan haugen av utstyr der inne virke temmelig kaotisk.

Kanskje får vi allerede da vite litt mer om forskjellene mellom materie og antimaterie?

Oddsen er vel at vi vet mer om likhetene, sier Sandaker.

- Vi forventer oss egentlig at reaksjonen på tyngdekrafta og de fleste andre egenskaper skal være like for hydrogen og antihydrogen, smiler hun.

- Men ingen har sjekket det før. Vi må undersøke det før vi kan si at de er like.

Tar tiår

Partikkelforskning er ikke for de utålmodige. Det kan ta tiår før svaret kommer – om man finner det i det hele tatt. Doser tror han rekker å bli pensjonist før vi for noen konklusjoner om forskjellene mellom antimaterie og materie.

Derfor har han like godt andre antimaterie-prosjekter løpende ved siden av.

Det er for eksempel mulig at antimaterien kan brukes til å behandle kreft fire ganger mer effektivt enn dagens strålebehandling.

Men det kommer nok til å ta lang tid, det også, innrømmer Doser og slår ut med armene.

- Som dere ser: Dette er ikke akkurat noen behandlingsfasilitet for pasienter.

På den annen side er det jammen ikke godt å si hva som kan utspille seg mellom betong og bølgeblikk i Antiproton Decelerator.

På veien ut gjør Doser oss oppmerksom på en liten rekke menneskeformede silhuetter, tegnet med farget kritt på murveggene ved bunnen av gittertrinntrappene.


Spor etter dansegruppa Strangels.

Det er levningene etter Strangels – ei dansegruppe som hadde opptreden her for ikke lenge siden.

Navnet er en blanding av angels – engler – og strangelets – rare, hypotetiske partikler som kanskje kan dukke opp i en partikkelakselerator.

Sånn sett oppsummerer danserne i all enkelhet noe av det helt spesielle ved Antiproton Decelerator og CERN generelt:

Bak all den stygge, rotete rarheten på dette stedet, ligger en slags himmelsk akkord av de dypeste spørsmålene vi mennesker kan stille.

 

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Annonse

CERN og antimaterie

CERN er verdens ledende laboratorium for partikkelfysikk. Det ble opprettet i 1954 og befinner seg på grensa mellom Sveits og Frankrike. CERN har flere partikkelakseleratorer partikkelbaner hvor protoner, elektroner og andre ørsmå partikler kan få enorm fart. Den største akseleratoren ved CERN er LHC. Den ligger i en 27 kilometer lang tunnel, 100 meter under bakken.

Antiproron Decelerator (AD) er en av partikkelbanene ved CERN. Den sakker ned partikler i stedet for å gi dem mer fart. AD brukes til å lage antihydrogen. Det gjøres flere eksperimenter med antimaterie ved AD:

AEGIS-eksperimentet er nå ferdig bygget, og skal teste hvordan tyngdekrafta virker på antihydrogen, sammenlignet med vanlig hydrogen.

ASACUSA-eksperimentet har allerede klart å gjøre nøyaktige målinger av massen til antiprotoner, slik at de kan sammenlignes med tallene for vanlige protoner.

ALPHA-eksperimentet skal lyse på antiatomer med mikrobølger, for å se om de absorberer strålinga på samme måte som vanlig hydrogen.

ATRAP-eksperimentet lagrer antihydrogen og undersøker forskjellene mellom antihydrogen og hydrogen.

ACE-eksperimentet studerer antiprotoner for bruk i kreftterapi. Stråler av antiprotoner kan drepe kreftceller mer effektivt enn strålebehandling med vanlige partikler.

Emneord