Læsetid 5 min.

Universets hemmelighed er inden for rækkevidde

En gruppe af fysikere, ledet af Jeffrey Hangst fra Århus Universitet, har skabt koldt antistof, som kan bruges til at teste de grundlæggende teorier om universet, livet – og alt
23. september 2002

Højenergifysik
Videnskabens dybeste forståelse af verden, universet og alt står foran en afgørende test. Efter et hæsblæsende kapløb lykkedes det i ugen, der lige er gået, for et internationalt hold af fysikere,
ledet af Jeffrey Hangst fra Århus Universitet at blive de første i verden til at skabe kolde anti-atomer.
Resultatet, der blev offentliggjort torsdag i Nature Online, åbner for eksperimenter i en virkelighed, der hidtil har været reserveret science fiction bøger og film som Star Trek. Men nu er det science fact og fysikkernes mest grundlæggende teoretiske antagelser kan efterprøves.

Drilsk Dirac
Det handler om antistof, der har drillet astronomer siden 1930, hvor den engelske matematiker Paul Dirac forudsagde dets eksistens.
Stof og antistof ligner hinanden på en prik, men er som den gode og onde tvilling hinandens modsætninger; de bærer nøjagtig ens, men modsatte egenskaber såsom ladning og spin. For eksempel bærer anti-protonen en negativ ladning, mens den almindelige proton bærer en positiv ladning, og tilsvarende findes der er en anti-elektron (positron) med positiv ladning. Begge typer stof kan eksistere uafhængigt af hinanden, men hvis de mødes udslettes de i en energiudladning.
»Det må anses som et tilfælde, at kloden (og formentlig hele solsystemet) indeholder en overvægt af negative elektroner og positive protoner,« sagde Dirac, der forestillede sig hele verdener bygget af anti-stof.
»Det er helt sandsynligt, at det for nogle af stjernerne forholder sig omvendt, at disse stjerner hovedsageligt består af positroner og negative protoner. Faktisk kan der være halvt af hver.«
Selv om det hele lyder sært, blev eksistensen af positronen eksperimentielt bevist to år efter, og i 1933 fik Dirac Nobelprisen. Dirac udledte sin teoretiske forudsigelse om antistof fra Heisenbergs kvantemekanik, som hele vores opfattelse af naturens mindste og udelelige byggesten beror på. Hvis det derfor viser sig, at de anti-brintatomer, fysikerne ved CERN har masseproduceret, afviger den mindste smule fra brintatomet, vil fysikken blive rystet i sin grundvold.
»Hvis vi finder en forskel imellem stof og antistof, betyder det at vi har overset noget meget grundlæggende andet. Og så skal man tænke sig grundigt om igen,« siger Jeffrey Hangst til Information.

Byg et anti-atom
39 fysikere fra 12 lande har skulder ved skulder været i skarp konkurrence med amerikanske forskere fra Harvard University.
Begge grupper har investeret store summer for at komme først med resultaterne, som Nature vurderede var så banebrydende, at de blev godkendt ved en særlig hurtig procedure.
»Den 21. august holdt vi møde om resultaterne, vi blev enige om at skrive en artikel. Jeg skrev artiklen og fik den godkendt af mine kolleger, og den 27. august indsendte vi den til Nature, som accepterede artiklen den 3. september,« siger Hangst om proceduren, derellers tager flere måneder.
Det blev udslagsgivende, at man sammen med CERN havde udviklet og opfundet helt nye apparater til at måle anti-brintatomerne.
Opskriften på et anti-brintatom er i princippet ganske simpel; man kaster antiprotoner ind i en sky af positroner, og håber, at en positron vil indfanges af en anti-protonen.
»Problemet er antiprotonerne. Positroner køber man stort set,« siger Jeffrey Hangst.
Antiprotoner derimod laves med en højenergiaccelerator, som kun findes få steder i verden bla. i Geneve på CERN. Ved at sende højenergiprotoner ind i en kobberblok slår man antiprotoner ud, som drøner afsted med lysets hastighed. Det er alt for hurtigt, og partiklerne bremses ved at sende dem igennem et tyndt stykke metalfolie inden de fanges i en usynlig flaske med vægge af elektromagentiske felter, som holder på alle ladede partikler. Nu kan forskerne kaste antiprotronerne ind i positronskyen.
»Det hele foregår ved meget lav temperatur, 10 Kelvin dvs. 10 grader over det absolutte nulpunkt, så partiklerne er næsten i hvile. Det er stort set som at have dem i hånden, de bevæger sig næsten
ikke,« siger Jeffrey Hangst.
Da er anti-atomerne ikke længere ladede, men neutrale, og falder de ud af fælden og rammer væggen, hvor de annihileres i en eksplosion. Og det er den forskerne kigger efter. Antiprotonen afgiver almindeligvis tre-fire højenergipartikler kaldet pioner, mens positronen går i stykker til to fotoner. Ved at følge sporene fra de nye partikler kan forskerne fastslå, at begge begivenheder stammer fra en antiproton og en positron, der er gået i stykker samtidig og på samme sted.
Forskerne optog dette mønster 131 gange og anslog ud fra simulationer, at der blev lavet mindst 50.000 anti-brintatomer.
Selv om det nu er muligt at masseproducere anti-brintatomer kan de ikke bruges som energikilde til at drive rumskibe som kaptajn Kirks Enterprise fra Star Trek.
»Nej, det er meget meget ineffektivt, vi bruger meget mere energi end vi får ud,« siger Hangst, der heller ikke kan forestille sig den omvendte version af en atombombe – anti-atombomben. Bare det at slå to anti-brintatomer sammen til et anti-brint molekyle får ham til at rulle med øjnene.
»Mængen er så lille og vi har slet ikke fantasi til at forestille os, hvordan man kunne lave mængder nok til at overveje sådan noget.«
Det næste skridt bliver langt mindre højtflyvende nemlig at ’kildre‘ anti-brintatomerne med laserlys for at måle om de udsender og absorberer det samme karakteristiske mønster af lys som almindelige brintatomer.
»Hvis de ikke opfører sig som brint, må lærerbøgerne skrives om,« siger Hangst.
Noget kan tyde på, at teoretikerne godt kan forberede sig på et par ekstra grå hår. Alle teorier om Big Bang, hvor universet opstod i en kæmpe eksplosion, siger, at universet burde bestå af lige dele stof og antistof – nøjagtig som Dirac foreslog. Men astronomer har endnu ikke observeret antistof noget sted i universet.
»På en eller anden måde er antistoffet forsvundet, i hvert fald dér hvor vi er i unverset,« siger Jeffrey Hangst.
Astronomerne har længe ment, at antistoffet ikke er forsvundet, men bare skilt fra stoffet under udviklingen af universet. Det kan være, universet er delt op i en stof og en antistof verden, og man har derfor ledt efter den grænse, hvor stof og antistof universerne mødes. Indtil videre forgæves.
»Så vidt vi ved er universet lavet af stof, og vi forstår ikke, hvor antistoffet er blevet af,« siger Hangst.

Flyver op ad
Et andet eksperiment det klør i fingrene for at få afklaret er tyngdekraftens indflydelse på antiatomerne.
Problemet med tyngdekraften er, at den er meget svagere end f.eks. den elektromagnetisk kraft, så en ladet partikel er næsten umulig at afskærme mod elektromagnetiske felter. Et neutralt anti-brint atom er derimod ideelt. Man kan populært sagt smide dem op i luften og se hvad der sker.
»Jeg vil ikke sige, at der er nogen, som forventer antistof falder op ad, men der er mange spekulationer og der er er nogle teorier, som siger, at der en forskel,« siger Jeffrey Hangst.
I øjeblikket udgør tyngdekraften et generende hul i det, der hedder Standardmodellen, som beskriver de fire kendte naturkræfter.
Fysikerne har Einsteins almene relativitetsteori, som beskriver tyngdekraften, men i modsætning til de andre tre kræfter mangler man at få tyngdekraften kvantificeret og lave det, man kan kalde en kvantetyngdekraft-teori.
Det kan give afgørende spor i retning mod at få den store ambitiøse Teorien om Alt på plads. De mest ambitiøse af den slags teorier er såkaldt strengteorier, hvor partikler er afbildet som uendeligt små strenge, der vrider sig i 10-11-dimensionale verdener.
»Det bliver til maj næste år. Håber vi på,« siger Hangst.
»Det er et langsigtet projekt og det kan tage flere år.«

nhttp://athena.web.cern.ch/athena/

Bliv opdateret med nyt om disse emner

Prøv Information gratis i 1 måned

Klik her

Allerede abonnent? Log ind her

Anbefalinger

anbefalede denne artikel

Kommentarer

Der er ingen kommentarer endnu