Rekordpresise målinger av antihydrogen

Forskerne arbeider intenst for å løse mysteriet om antimaterie. Nå har danske forskere for første gang gjennomført presise målinger av den elektriske ladningen til antihydrogen.

Publisert
I en avansert maskin ved navn ALPHA, som står ved forskningsinstitusjonen CERN, har en danskledet forskergruppe utført presisjonsmålinger av antihydrogen. (Foto: CERN)
I en avansert maskin ved navn ALPHA, som står ved forskningsinstitusjonen CERN, har en danskledet forskergruppe utført presisjonsmålinger av antihydrogen. (Foto: CERN)

Materie:

Verden omkring oss består av materie, for eksempel grunnstoffer som hydrogen og oksygen.

Grunnstoffene består av atomer, som igjen består av enda mindre partikler:

  • protoner, som har en positiv elektrisk ladning
  • elektroner, som har en negativ elektrisk ladning
  • nøytroner, som er elektrisk nøytrale

Antimaterie:

  • Består av antipartikler
  • Identiske med «vanlige» partikler, bortsett fra at de har en motsatt ladning.
  • Et antiatom er bygget opp av antipartikler, antihydrogen er for eksempel et antiatom.
  • Antipartikler ser ikke ut til å finnes naturlig i universet, men forskerne har gjennom en årrekke vært i stand til å produsere det, slik at de kan gjennomføre eksperimenter.
  • Når det gjelder antiatomer (som altså er bygget av opp flere antipartikler), har man så langt bare klart å fremstille antihydrogen.

En danskledet forskergruppe har for første gang gjennomført presise målinger av hydrogenatomets mystiske tvilling – antihydrogen.

Med hjelp av avansert utstyr ved forskningsinstitusjonen CERN i Sveits, har forskerne klart å slippe løs antihydrogenatomer én av gangen, og måle deres elektriske ladninger.

– Det er første gang man har fått til så presise målinger av antihydrogen. For oss er det banebrytende at vi i det hele tatt kan gjøre det, forteller Jeffrey Hangst, som er professor ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet og leder av forskergruppen ALPHA ved CERN.

Hva er antipartikler?

Antipartikler er ifølge fysikernes teorier helt identiske med vanlige partikler – bortsett fra at de har motsatt ladning.

Mens et proton, som er en del av et atom, har en positiv elektrisk ladning, så har antipartikkelen – antiprotonet – en negativ ladning.

Et mysterium

– Et helt grunnleggende spørsmål i fysikken er: Hvorfor består verden omkring oss av materie og ikke av antimaterie? Ifølge Big Bang-teorien burde universet inneholde like mye materie og antimaterie, men vi finner ikke antimaterie i naturen, sier Jeffrey Hangst.

Det er altså et uløst gåte for fysikerne at all antimaterien ser ut til å ha forduftet.

– Vi leter etter noe som kan gi oss en forklaring. Derfor har vi i mange år arbeidet med å fange og beskrive antimaterie – for å se om vi kan finne en forskjell på materie og antimaterie, forteller Hangst.

Nye målinger

Selv om forskerne ikke finner antimaterie i naturen, har de klart å skape det i laboratoriene sine.

I 2010 kom Jeffrey Hangsts forskningsgruppe med et gjennombrudd da de produserte og fanget inn antihydrogen. Siden den gang har de forbedret metodene, og nå har de klart å måle antihydrogenets elektriske ladning.

Et vanlig hydrogenatom er bygget opp av to forskjellige partikler med hver sin elektriske ladning:

  • et proton, som har positiv ladning plassert i kjernen av atomet.
  • et elektron, som har negativ ladning som kretser rundt atomkjernen.

Legger man sammen ladningen til protonet og elektronet, får hydrogenatomet samlet sett en ladning på null – det er elektrisk nøytralt.

Bekrefter teoriene

Men antihydrogen er bygget opp av et antiproton med negativ ladning og en positron (elektronets antipartikkel) med positiv ladning. Dermed burde antihydrogen også være elektrisk nøytralt.

– Hvis alle teoriene våre er riktige, vil antihydrogen være nøytralt. Men det har aldri blitt observert før, sier Hangst.

– Vi har observert, med en presisjon på ned til åtte sifre, at antihydrogen faktisk er nøytralt. Det er den første målingen med en slik presisjon. Det er ikke like nøyaktig som målingene av vanlig hydrogen, men det er et stort fremskritt, sier Hangst.

Fundamentale antakelser

Professor Peter Hansen ved Københavns Universitet er enig i at den nye undersøkelsen gir en markant forbedring av målingene.

– Både hydrogenatomet og antihydrogenatomet burde være elektrisk nøytrale, ifølge de fundamentale antakelsene. Derfor er det viktig å teste dette presist, skriver Hansen i en e-post.

Han har ikke vært involvert i den nye undersøkelsen, men han er selv tilknyttet CERN og forsker på universets minste bestanddeler.

Slik er målingene utført

Men hvordan har forskerne klart å utføre de nye målingene?

Jeffrey Hangst forklarer at de har brukt en avansert maskin ved navn ALPHA, som står ved CERN. Maskinen fungerer som en felle som kan fange inn antihydrogenatomer ved å fryse dem ned til ekstremt lave temperaturer.

– Med teknikken vår kan vi fange antihydrogenatomer og deretter slippe dem løs ett av gangen. Så bruker vi et elektrisk felt for å se om antihydrogenatomet blir påvirket, forklarer Hangst.

Med andre ord har forskerne sett på hvordan antihydrogen oppfører seg når det er et elektrisk felt til stede.

Ifølge forskerne ville antihydrogen bli påvirket av det elektriske feltet hvis antihydrogen selv hadde en elektrisk ladning, mens det ville bevege seg i en upåvirket bane hvis antihydrogen var elektrisk nøytralt.

386 målinger

I den nye undersøkelsen har forskerne gjennomført målinger av 386 antihydrogenatomer.

Selv om Jeffrey Hangst og Peter Hansen ser på den nye undersøkelsen som et fremskritt, påpeker de at det fortsatt er mye forskerne ikke vet om antimaterie.

– Men for bare få år siden var det rett og slett umulig å gjennomføre målinger av denne typen. Vi kan nå snakke om antihydrogenfysikk. Det er vi stolte av å kunne bidra til, forteller Hangst.

Til høsten får Hangst et nytt apparat til eksperimentene sine – den såkalte ALPHA 2, som også skal stå på CERN.

Se videoen som forklarer hvordan forskerne produserer og fanger antihydrogen. (Video: CERN)

Referanse:

C. Amole m.fl.:An experimental limit on the charge of anti hydrogen, Nature Communications, 2014, DOI: 10.1038/ncomms4955

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