Antimaterie «annihilerer» når det kommer i kontakt med materie. Da ødelegges begge deler og energien slippes løs som varme og lys.
Antimaterie «annihilerer» når det kommer i kontakt med materie. Da ødelegges begge deler og energien slippes løs som varme og lys.

Dansk forsker fanger og måler antihydrogen mer nøyaktig enn noensinne før

Nye målinger av antimaterie bekrefter teori.

Antimaterie.

Kanskje har du hørt om den gåtefulle motpolen til den materien vi ser rundt oss. Alt det telefonen din er laget av, det du ser på skrivebordet ditt – og alle du kjenner. Vi er laget av materie.

Atomene og de andre partiklene har også tvillinger med motsatt ladning.

I fysikkens verden kalles den for antimaterie, og den er forskere veldig interessert i å undersøke. Problemet er bare at når antimaterie kommer i kontakt med materie, så forsvinner begge deler.

Likevel har forskere fra CERN i Sveits nå klart å holde på antimaterie lenge nok til å måle strukturen til antiatomer med voldsom presisjon.

– Målingene våre bekrefter at materie og antimaterie oppfører seg likt. Vi viser at det er mulig å måle antimaterien, og vi gjør nå store framskritt, sier Jeffrey Hangst, som er professor ved institutt for fysikk og astronomi ved Aarhus Universitet og en av forskerne bak den nye studien.

Den er nettopp publisert i det anerkjente tidsskriftet Nature.

Proton Synchrotron- akseleratoren er en 'startakselerator' til den store 27 kilometerlange partikkelakseleratoren LHC, som befinner seg 100 meter under bakken og passerer gjennom Sveits og Frankrike.
Proton Synchrotron- akseleratoren er en 'startakselerator' til den store 27 kilometerlange partikkelakseleratoren LHC, som befinner seg 100 meter under bakken og passerer gjennom Sveits og Frankrike.

Antimaterie kan revolusjonere fysikken

Jeffrey Hangst arbeider til daglig ved forskningssenteret CERN i Genève i Sveits.

Her har han adgang til de antipartiklene som skapes i partikkelakseleratoren Proton Synchrotron.

Inne i akseleratoren sender forskere partikler som kalles protoner av sted med nesten samme fart som lyset – det raskeste fysikken tillater – før de smadrer dem inn i vanlig materie.

Under sammenstøtet skapes antiprotoner som Hangst kan bruke til å danne antiatomer.

Hydrogen og antihydrogen utsletter hverandre

Det eneste atomet av antimaterie forskerne har laget, er antihydrogen.

Det er den omvendte versjonen av hydrogen – det første og letteste elementet i den periodiske tabellen. Den mest utbredte utgaven består av ett proton og ett elektron.

Protonet er positivt ladet, mens elektronet er negativt ladet.

Antihydrogen består derimot av et antiproton som er negativt ladet og et positron som er positivt ladet.

Møter de to hverandre, opphører de, og massen frigis som lys.

– Vi er veldig interessert i å undersøke antiatomer fordi fysikken forutsier at materier og antimaterie bør oppføre seg likt. Gjør de ikke det, vil det revolusjonere fysikken, og vi vil måtte gjøre om på veldig mye, sier han.

Kulminasjonen av 30 års forskning

Hangst og kollegene hans på prosjektet ALPHA fanger opp antipartiklene fra partikkelakseleratorene og setter dem sammen i antihydrogen-atomer.

Det er komplisert å bygge antiatomer. Men det er kanskje enda vanskeligere å måle dem.

Antihydrogen kan ikke komme i kontakt med materie, for da forsvinner den i en eksplosjon av lys.

Derfor må antimaterien holdes i et vakuum, og forskerne bruker superkraftige magneter til å holde dem fast.

Og de magnetene krever en veldig lav temperatur for å fungere – under 5 grader over absolutte nullpunktet på -273,15 grader celsius.

– Det har tatt nesten 30 år å få til. Det er en avansert prosess. Men vi kan nå holde på antihydrogen i mer enn 100 timer uten å miste noen av atomene, sier han.

Energien i materie og antimaterie var lik

Hvis et hydrogenatom kunne se seg selv i speilet med omvendt fortegn, så ville antihydrogenet se tilbake.
Hvis et hydrogenatom kunne se seg selv i speilet med omvendt fortegn, så ville antihydrogenet se tilbake.

Forskerne kan blant annet undersøke hvordan antihydrogen reagerer på lys.

– Hydrogen har et spesielt spektrum der lys kan tilføre energi. Hvis antihydrogen virkelig oppfører seg akkurat som hydrogen, så skal den også reagere på samme måte på det samme lysspektrumet. Og det gjør den, sier Jeffrey Hangst.

Hangst kan naturligvis ikke se med det blotte øye hvordan energitilstanden i antimaterien endrer seg. Men når den så å si annihileres, altså ødelegges, så frigis energien i en lyseksplosjon, og den kan måles.

– Antihydrogenet er omgitt av tre lag av sensorer, og når energien passerer, så kan man spore den, og da kan jeg lese tallene på datamaskinen, forklarer Hangst.

Sensorene fungerer som en veldig avansert PET-skanner, som man kjenner fra legevitenskapen, og kan men veldig stor presisjon måle hvor lyspartiklene fra antimaterien treffer.

ALPHA-laboratoriet hos CERN ser kanskje rotete ut, men det krever stort teknisk talent å fange og måle antiatomer, forklarer Jeffrey Hangst.
ALPHA-laboratoriet hos CERN ser kanskje rotete ut, men det krever stort teknisk talent å fange og måle antiatomer, forklarer Jeffrey Hangst.

Forsker: Imponerende bedrift

Jørgen Beck Hansen, som er førsteamanuensis i eksperimentell subatomær fysikk ved Niels Bohr-instituttet i København, er imponert over de nye resultatene.

– Det er veldig vanskelig å måle det de har gjort. De har en veldig høy presisjon når man ser på hvor liten effekt de måler, sier han.

Beck Hansen arbeider selv med partikkelfysikk, altså bestanddelene av atomer, og her er det lettere å måle med stor presisjon. Men innen atomfysikken er det helt nytt å måle antimaterie så presist, forklarer han.

Resultatene i den nye studien har imidlertid fortsatt en usikkerhet på elleve prosent, så det er fortsatt mulig at antihydrogen kan oppføre seg annerledes enn hydrogen.

– Det er riktig at det fortsatt er en feilmargin. Men de har vist at man med denne metoden kan måle effekten mer nøyaktig enn tidligere. Derfor er det også et første resultat som det nå arbeides videre med, sier Beck Hansen.

The Lamb shift

Når et atom tilføres lysenergi i det riktige spektrumet, kan energien stige, slik at atomet inngår i en ny tilstand.

Hvis det for eksempel er hydrogen – en protonkjerne pluss et elektron – kan elektronet hoppe fra det innerste skallet til et skall lenger ute.

Når den mister energien, så avgir den til gjengjeld et foton – energi i form av lys – og elektronet hopper tilbake i det innerste skallet.

I 1947 målte den amerikanske fysikeren Willis Lamb en forskjell på to energitilstander i hydrogen, som ifølge daværende teorier burde være lik.

Det satte i gang utviklingen av kvanteelektrodynamikken som teori, der små fluktuasjoner i energi i vakuumet omkring hydrogenatomet kan forklare forskjellen, som i dag kalles The Lamb Shift.

Antimaterie er universets store gåte

Antimaterie er ikke bare interessant for fysikere fordi de leter etter feil i fysikkens lover – også kalt standardmodellen.

Det er en stor gåte som har plaget fysikerne helt siden de lærte om antimaterie. Og gåten går faktisk helt tilbake til universets oppstandelse – the big bang.

Her regner man med at all materie har oppstått ut fra ren energi. Men når det dannes materie av energi, så dannes det også like mye antimaterie.

– Naturen er veldig symmetrisk. Og i fysikken leter vi etter brudd på symmetrien. Hvis vi ser omkring oss i dag, så består alt av materie. Derfor må det være en forskjell mellom materie og antimaterie, som har gjort at det i dag er veldig mye materie. Og den forskjellen har vi fortsatt ikke oppdaget, sier Beck Hansen.

– Det er det største symmetribruddet vi kjenner til, og det er ikke sikkert at forsøkene noensinne vil kunne forklare det. Men det er heller ikke poenget. I første omgang skal vi finne ut om det er noen effekter i antimaterie som vi har oversett, avslutter Jeffrey Hangst.

Den nye forskningen er støttet av Carlsbergfondet.

Referanse:

The ALPHA Collaboration: «Investigation of the fine structure of antihydrogen», Nature, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2006-5

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.

Powered by Labrador CMS