Danskere laver hidtil mest præcise målinger af antibrint

Et danskledet forskerhold har for første gang lavet præcise målinger på brint-atomets mystiske tvilling - antibrint.

Med hjælp fra avanceret udstyr på forskningsinstitutionen CERN i Schweiz er det lykkedes forskerne at slippe antibrint-atomer løs én ad gangen og lave målinger af deres elektriske ladning.

»Det er første gang, at der er blevet lavet så præcise målinger på antibrint. For os er det banebrydende, at vi overhovedet kan gøre det,« fortæller Jeffrey Hangst, der ud over at være professor ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet også leder forskergruppen ALPHA ved CERN.

Det er netop ALPHA-gruppen, som står bag den nye undersøgelse, som er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications.

Hvad er antipartikler?

Før vi går videre med resultaterne i den nye undersøgelse, skal vi lige have på plads, hvad antipartikler overhovedet er.

Antipartikler er ifølge fysikernes gængse teorier helt identiske med ’almindelige’ partikler – bortset fra, at de har en modsat ladning.

Mens en proton (som er en del af et atom) for eksempel har en positiv elektrisk ladning, så har dens antipartikel – antiprotonen – en negativ elektrisk ladning.

På den måde er antipartikler altså en slags præcise spejlinger af alle de partikler, som vi lærer om i folkeskolens fysiktimer – og som verden omkring os er opbygget af.

Mysteriet om det forsvundne antistof

»Det er et af de helt grundlæggende spørgsmål i fysikken, hvorfor verden omkring os består af stof og ikke af antistof. Ifølge Big Bang teorien burde universet være blevet født med lige store mængder af stof og antistof, men vi har kun stof tilbage i universet,« siger Jeffrey Hangst.

Med andre ord er det altså en af de helt store uløste gåder for fysikerne, hvorfor de store mængder af antistof tilsyneladende er forduftet fra vores univers.

»Så baggrunden for vores forskning er, at vi leder efter noget, som kan give os en forklaring. Derfor har vi i mange år arbejdet på at fange og beskrive antistof – for at se, om vi kan finde en forskel på stof og antistof, som kan give os en forklaring,« fortæller Jeffrey Hangst.

Nye præcise målinger af antibrint

Mens forskerne altså ikke har fundet store mængder af naturligt forekommende antistof i universet, så er det lykkedes fysikerne at skabe antistof i deres laboratorier.

I 2010 kom Jeffrey Hangsts forskningsgruppe med et større gennembrud for antistof-forskningen, da det lykkedes dem at producere og indfange brint-atomets antistof – antibrint.

Siden da har Hangst og hans kolleger forfinet deres metoder, og i den nye undersøgelse er det lykkedes dem at lave målinger af antibrints elektriske ladning.

Som du måske husker fra skolens fysiktimer er et almindeligt brint-atom opbygget af to forskellige partikler med en elektrisk ladning:

• en proton, som har positiv elektrisk ladning (+e), og som er placeret i kernen af brint.
• en elektron, som har negativ elektrisk ladning (-e), og som ’kredser’ rundt om kernen af brint.

Lægger man ladningen på protonen og elektronen sammen, får brintatomet samlet set en ladning på nul – eller rettere; brint-atomet er elektrisk neutralt.

Sådan er antibrint opbygget

På samme vis mener fysikerne, at brintatomets modsatte tvilling, antibrint, er opbygget af to forskellige antipartikler med en elektrisk ladning:

• en antiproton (protonens antipartikel), som har en negativ elektrisk ladning (-e) og som er placeret i kernen af brint
• en positron (elektronens antipartikel), som har en positiv elektrisk ladning (+e) og som ’kredser’ rundt om kernen af brint.

Ifølge fysikernes teorier burde der gælde de samme regler for ladningen på antibrint som på brint – og på den måde skulle antibrint altså samlet set være elektrisk neutralt ligesom sin tvilling brint.

»Man ser på summen af antiprotonen og positions ladning, og hvis alle vores teorier er rigtige, så vil det betyde, at antibrint er neutralt. Men det er aldrig blevet målt for antibrint, og i fysikken vil vi gerne måle ting, før vi kan være helt sikre på noget,« siger Jeffrey Hangst og tilføjer:

»Hvis vores målinger viste, at antibrint ikke var neutralt, ville vi have et stort problem teoretisk. Alle vore teorier er baseret på, at antiatomer skal være neutrale på samme måde som atomer.«

Bekræfter teorierne

Resultatet af de nye målinger har da heller ikke smadret eller tilbagevist nogen teorier – tværtimod.

»Vi har målt med en præcision på ned til 8 cifre, at antibrint er i overensstemmelse med at være neutral. Det er den første måling, der er lavet med den slags præcision på antibrint. Vi er stadig slet ikke i nærheden af at have målt ladningen med samme præcision som for brint, men det er stadig et stort fremskrift,« siger Jeffrey Hangst.

På Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet er professor Peter Hansen enig i, at den nye undersøgelse giver en »markant forbedring« af målingerne af antibrint.

»Både brintatomet og anti-brintatomet skulle være elektrisk neutrale ifølge de fundamentale antagelser. Det ville mildt sagt være overraskende, hvis denne forudsigelse skulle vise sig ikke at holde stik. Men så meget desto vigtigere er det at afprøve den præcist,« skriver professor Peter Hansen i en e-mail til Videnskab.dk

Han har ikke været en del af den nye undersøgelse, men han er selv tilknyttet CERN og forsker i universets mindste bestanddele.

Sådan er målingerne lavet

Men hvordan har forskerne egentlig været i stand til at lave de nye målinger på antibrint?

Jeffrey Hangst forklarer, at de har gjort brug af en avanceret maskine ved navn ALPHA, som står på CERN. Maskinen fungerer som en fælde, der kan indfange antibrint-atomer ved at fryse dem ned til ekstremt lave temperaturer.

»Med vores teknik kan vi fange antibrint-atomer, og bagefter slipper vi dem løs igen én ad gangen. Når vi har sluppet dem løs, sætter vi et elektrisk felt på, og det vil sige, at hvis antibrint ikke er elektrisk neutralt – hvis der er en lille ubalance mellem ladningen på positronen og antiprotonen – så vil antibrint-atomet kunne mærke kraften, når den er på vej ud af vores fælde,« forklarer Jeffrey Hangst.

Med andre ord har forskerne altså set på, hvordan antibrint opfører sig, når der er et elektrisk felt til stede.

Ifølge forskerne ville antibrint blive påvirket af det elektriske felt, hvis antibrint selv havde en elektrisk ladning, mens det ville kunne bevæge sig i en upåvirket bane, hvis antibrint var elektrisk neutralt.

Lavet 386 målinger

I den nye undersøgelse har forskerne lavet deres målinger på 386 antibrint-begivenheder, og på baggrund af målingerne kan de opstille grænser for et felt, som antibrints ladning i hvert fald må ligge inden for.

(Til fysiknørderne kan vi fortælle, at resultatet af målingerne er, at værdien af antibrints elektriske ladning i forhold til den fundamentale ladning - det vil sige elektronens ladning - må være (-1.3±1.1±0.4) × 10^-8 hvor plus og minus repræsenterer statistiske og systemiske usikkerheder i målingerne)

Selvom Jeffrey Hangst og Peter Hansen begge ser den nye undersøgelse som et fremskridt i udforskningen af antiatomernes verden, så påpeger de begge, at der er lang vej endnu, før vi har forstået de mystiske antistoffer til fulde.

»Men for bare få år siden var det simpelthen umuligt at lave målinger af denne her art. Jeg vil ikke sige, at det er ved at blive rutine at måle på antibrint, men nu kan vi snakke om antibrint-fysik som en gren af fysikken. Og det er vi stolte af at kunne bidrage til,« fortæller Jeffrey Hangst.

Til efteråret får Jeffrey Hangst et nyt apparat til at lave eksperimenter med antibrint – den såkaldte ALPHA 2, som skal stå i CERN og fravriste antibrint endnu flere hemmeligheder.