En forskergruppe ved det europeiske forskningssenteret CERN i Sveits klart å skape, fange inn, oppbevare og nå også måle antihydrogen. Mannen som har stått i spissen for eksperimentet, Jeffrey S. Hangst, kaller det «en drøm som går i oppfyllelse». (Foto: CERN)
Fysikere måler antimaterie
En gruppe forskere på CERN har utført den første lasermålingen av antiatomer.
HenrikBendixjournalist videnskab.dk
Publisert
Antimaterie er uhyre vanskelig å kontrollere, for så snart det treffer vanlig materie, forsvinner begge deler. Både materien og antimaterien blir gjort om til energi.
Likevel har en forskergruppe ved det europeiske forskningssenteret CERN i Sveits klart å skape, fange inn, oppbevare og nå også måle antihydrogen. Det fremgår av en artikkel i det vitenskapelige tidsskriftet Nature.
Professor Jeffrey S. Hangst fra Aarhus Universitet har stått i spissen for forskningen. Han leder Alpha-eksperimentene, der målet er å finne ut om hydrogen og antihydrogen er speilbilder – om materie og antimaterie oppfører seg helt likt og bare skiller seg fra hverandre ved å ha motsatte elektriske ladninger.
– I forsøket med vanlig hydrogen måler vi en billion hydrogenatomer. Vi må nøye seg med 14 antihydrogenatomer. Det er nesten et mirakel at vi kan gjøre det, og vi er veldig stolte, sier Hangst.
Professor Jeffrey S. Hangst fra Aarhus Universitet forteller i denne videoen om det vellykkede eksperimentet som han kaller «en drøm som går i oppfyllelse», og «det største skrittet i sin karriere». (Video: CERN)
Mange års forberedelser
Et hydrogenatom består av et positivt ladet proton og et negativt ladet elektron; et antihydrogenatom av består av et negativt ladet antiproton og et positivt ladet positron (elektronets antipartikkel).
I universet er det massevis av materie, men nesten ingen antimaterie, og det er faktisk litt av et mysterium. Når fysikerne gjennomfører eksperimenter med antimaterie, er det blant annet for å finne ut om materie og antimaterie er forskjellig på en måte som kan forklare dette.
Forskerne har arbeidet frem mot det nye eksperimentet i et par tiår, og de har gjort en rekke fremskritt.
I 2010 klarte de for første gang å fange inn og holde på antihydrogen.
Året etter hadde forskerne videreutviklet teknikken, slik at de nå kunne holde på antihydrogenet i mer enn 1000 sekunder.
Det banet vei for det siste eksperimentet, men først måtte fysikerne utvikle og bygge en helt ny antimateriefelle. Den første versjon av Alpha var bare bygget til å holde på antiatomene, mens Alpha-2 er designet for lasereksperimenter.
Det krevde blant annet en ny, superledende magnet til en pris av 3,3 millioner kroner, som ble betalt av Carlsbergfondet. Den spesielle magneten er nødvendig for å holde antihydrogenatomene på plass lenge nok til at forskerne kan rekke å skyte laserstråler mot dem.
Et vindu i antiatomfellen lar laserstråler påvirke antiatomene, slik at det blir mulig å måle om de reagerer på samme måte som vanlige atomer.
– Alpha-2 har gjort akkurat det den er designet til. Vi kan sende inn lys slik at vi kan eksitere antihydrogenatomer, forteller Jeff Hangst.
At et antihydrogenatom blir eksitert, innebærer at det kommer i en høyere energitilstand. Spørsmålet var om det skulle like mye lysenergi til å eksitere et antihydrogenatom som et vanlig hydrogenatom.
De nye målingene viser at antihydrogen og vanlig hydrogen ser ut til å være «speilbilder». I hvert fall har de den samme overgangen – det samme kvantespranget – mellom grunntilstanden og den eksiterte tilstanden.
– Det er en veldig flott måling de har utført. Det er første gang noen har klart å undersøke om antimaterie oppfører seg som materie, sier Jørgen Beck Hansen, som er førsteamanuensis i eksperimentell, subatomær fysikk ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet. Han har fulgt antimaterieeksperimentene gjennom mange år.
– Det er veldig komplisert, og det er derfor som har vært så mange trinn i prosessen. Hovedmålet har vært å måle denne overgangen, og det har de nå klart. Neste mål blir å gjøre målingene mer presise.
Jeff Hangst er enig:
– Vi har observert overgangen med veldig stor nøyaktighet – to deler av ti milliarder – men den skal bli bedre. Målet vårt er å foreta målinger med samme presisjon som ved vanlig hydrogen. Det blir vanskelig og tar nok noen år, men jeg er veldig optimistisk. Vi trenger flere antiatomer og nye generasjoner av maskiner, men en dag skal vi nok klare det.
Forskerne har også gått i gang med å bygge opp et annet eksperiment, som de kaller Alpha-g. Det skal måle antiatomenes forhold til tyngdekraften.
– Vi håper at vi blir de første som finner ut om antihydrogen faller oppover eller nedover. Det er fortsatt ikke vist direkte. Vi har beskrevet hvordan man kan gjøre det, og nå bygger vi maskinen til det. Den vil nok være ferdig i slutten av neste år, forteller Hangst.
Forskergruppens forsøk med å måle tyngdekraftens påvirkning av antimaterie har vi tidligere skrevet om i artikkelen Antiatomer vejet for første gang.
Nye målinger kan revolusjonere fysikken
Fysikernes beste teori for hvordan elementærpartikler og atomer oppfører seg, kalles standardmodellen. Den kan ikke helt forklare hvorfor det er så mye mer materie enn antimaterie i universet. Ved big bang burde det ha blitt dannet like mye av hver type.
Hvis materie og antimaterie til sjuende og sist viser seg å oppføre seg litt forskjellig, kan det lede forskerne på sporet av en bedre teori. Jørgen Beck Hansen heller mest til at forklaringen er knyttet til de elementærpartiklene som kalles nøytrinoer, for eksempel som beskrevet i artikkelen Iskoldt eksperiment skal avsløre stoffets hemmelighed.
De aller fleste fysikere regner med at materie og antimaterie oppfører seg likt. Men i vitenskap er det ikke nok å tro og mene, og derfor vil Alpha-eksperimentene være spennende å følge fremover:
– Hvis de begynner å se en forskjell, så blir det interessant. Det ville være en overraskelse, og det ville tvinge de teoretiske fysikerne tilbake til tegnebrettet og prøve å forstå hva som kunne gi den forskjellen, forteller Jørgen Beck Hansen.
