Forskergruppen ALPHA ved det europæiske partikelforskningscenter CERN har som de første i verden fremprovokeret et energihop, et såkaldt kvantespring, i den simpleste form for antistof kaldet antibrint. Dermed har gruppen vist, at det nu endelig kan lade sig gøre at lave en kortlægning af antibrints indre opbygning.
Resultaterne er netop publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.
»Vores resultater er et afgørende skridt til at kunne besvare et af fysikkens fundamentale spørgsmål, nemlig hvorfor alting omkring os består af stof. Ifølge Big Bang-teorien burde universet faktisk være blevet født med lige store dele stof og antistof, der er hinandens præcise spejlbillede. Så hvis Big Bang-teorien ellers holder, må der være en forklaring på, at antistoffet er forduftet,« fortæller Jeffrey Hangst, der ud over at være lektor ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet også leder forskegruppen ALPHA ved CERN.
Brint og antibrint kan være forskellige
En mulig forklaring på, at antistoffet er forsvundet er, at stof og antistof ikke er så ens, som forskerne går og tror. Selv bitte små forskelle i den måde, hvorpå stof og antistof er opbygget, kan forklare, hvorfor antistoffet nu er pist væk og kun stoffet er blevet tilbage. Forskergruppens plan er derfor at sammenligne et stofatom med et tilsvarende antistofatom og undersøge, om de på nogen måde adskiller sig fra hinanden.
En forudsætning for at kunne sammenligne stof og antistof er at producere tilpas mange antistofatomer og holde dem fast så længe, at man kan nå at kortlægge deres indre struktur.
\ Fakta
Forskerne har også en ambition om at kombinere lasere med mikrobølger, så man ikke kun fremprovokerer kvantespring for positronen men også for antiprotonen, der udgør antibrintatomets kerne. Det får antibrintatomet til at udsende to slags stråling, der tilsammen danner et fænomen kaldet dobbeltresonans. Dette fænomen giver i sig selv ny viden om antibrintatomets indre opbygning.
Forskergruppen ALPHA har gennem det sidste årti klaret de to første udfordringer ved at
- producere i tusindvis af antibrintatomer, der er den simpleste form for antistof.
- finde en måde at holde antibrintatomerne fast i godt et kvarter.
De to gennembrud har i sig selv været så store videnskabelige sejre, at det er blevet honoreret med en stribe publiceringer i Nature.
Nu har forskerne taget hul på den sidste udfordring ved at demonstrere, at de ved sofistikerede tekniske kneb og tricks kan tvinge antistofatomerne til selv at udkrænge deres indre.
»Ved hjælp af vores metode har vi vist, hvordan vi kan kortlægge et antibrintatoms interne struktur, og det er første skridt på vejen til at kunne se, om antibrint opfører sig lige som brint eller om der er væsensforskelle. Eksperimenterne dokumenterer, at det reelt kan lade sig gøre at designe eksperimenter, der kan lave detaljerede målinger af antibrint,« siger en glad Jeffrey Hangst.
Energiniveauerne er kvantiserede
Forskerne har i deres eksperiment ladet sig kraftigt inspirere af den måde, hvorpå man har kortlagt opbygningen af et brintatom.
\ Fakta
Antistof ligner ifølge Big Bang-teorien stof til forveksling bortset fra, at det har modsat ladning.
Et brintatom er ’kvantiseret’, hvilket vil sige, at det har energiniveauer, der er adskilt fra hinanden i spring.
Et brintatom består af en positivt ladet kerne omkredset af en negativ ladet elektron, og får elektronen tilført en bestemt mængde energi svarende til forskellen mellem to energiniveauer, hopper elektronen ud af sin bane og rykker en tak længere væk fra atomkernen.
Ved at bestråle brintatomer med lys, der rummer en bestemt mængde energi, kan man tvinge atomet op i en højere energitilstand. Elektronen foretrækker dog at befinde sig tæt på kernen og hopper derfor hurtigt tilbage igen ved udsendelse af lys, og ved at studere dette, kan forskerne få et detaljeret indblik i, hvilke energiniveauer brintatomet har.
Frekvenserne (bølgelængderne) af det udsendte lys skaber tilsammen et spektrum, der er karakteristisk for brint.
Ifølge fysikkens grundlæggende principper burde antibrint og brint have fuldstændigt identiske spektre, hvis de altså virkelig er ens, og det er den hypotese, som ALPHA-gruppen takket være deres nye metode nu har en mulighed for at tjekke.
Eksperimentet viser vejen frem
\ Fakta
Alfa-gruppen får deres forskningsmidler fra Carlsberg-fonden.
I den videnskabelige artikel, som netop er blevet publiceret, beskriver ALPHA-gruppen det første grove målinger af antibrints spektrum.
I opstillingen var antibrintatomerne fanget i et kompliceret magnetisk felt. Ved at bestråle hvert antibrintatom med mikrobølgestråling med en frekvens, der skaber kvantespring i brint, sprang antibrintatomet op i et højere energiniveau og slap dermed ud af fælden. Et splitsekund efter, at antibrinten havde vristet sig fri, ramlede det ind i stof og blev omdannet til energi i en såkaldt annihilationsproces, der blev registreret af forsøgsopstillingens detektorer.
Forskerne udsatte herefter antibrintatomer for stråling med en frekvens, som lå et godt stykke væk fra det frekvensområde, der skaber kvantespring i brint. Denne stråling frembragte heller ingen kvantespring i antibrintatomerne, så på det punkt opfører brint og antibrint sig altså ens.
»Forsøget dokumenterer, at vi kan skabe kvantespring i et antibrintatom ved at udsætte det for stråling, der har nøjagtigt samme frekvens som den, man skal bruge for at fremprovokere et kvantespring i brint. Antibrintatomerne reagerer derimod ikke, hvis man udsætter dem for stråling med frekvenser langt derfra,« siger fysiker Niels Madsen, der er tilknyttet ALPHA-gruppen og som er seniorforsker ved Schwansea University i Wales.
Brint og antibrint reagerer altså på samme måde i dette eksperiment, men det er slet ikke nok til at kunne afgøre, om brint og antibrint opfører sig ens. Der skal betydeligt mere detaljerede studier til.
Vi skal vide, om brint og antibrint tilhører den samme kategori, altså om det er den samme fysiske lov, der gælder. Det kan sige noget om, hvorvidt der er en symmetri i fysik og hvordan tid og rum er skruet sammen. Nu ved vi, at det kun er et spørgsmål om tid, før vi finder svaret.
Jeffrey Hangst
»Der er ikke nogen, der forventer, at brint og antibrint er forskellige på det niveau, hvorved vi har undersøgt det. Den kommende opgave bliver at undersøge, om der også er fuld overensstemmelse i detaljerne, hvilket vi kan afgøre ved at måle et betydeligt større antal overgange,« siger Niels Madsen.
Flere og mere præcise metoder i baghånden
Forsøgene med mikrobølger har den ulempe, at de er forbundet med en hvis usikkerhed, men Niels Madsen understreger, at der findes andre bedre strålingskilder. I de tre måneders observationstid, som ALPHA-gruppen fik tildelt af CERN, kunne forskerne kun nå at gennemføre dette eksperiment. De andre metoder, som forskerne har ambitioner om at bringe i spil, kræver nemlig en total ombygning af forsøgsopstillingen, som forskergruppen på daværende tidspunkt ikke havde tid til, men som de nu er i fuld gang med.
»De forsøg, der skal til for at kunne kortlægge antibrint i stor detalje, kræver at man bygger forsøgsopstillingen grundlæggende om. Vi startede med at splitte det hele ad sidst i januar og håber, at vi kan begynde at producere antibrint igen i løbet af det kommende år,« siger Jeffrey Hangst.
ALPHA-opstillingen under ombygning
Det kribler i forskernes fingre for at komme i gang, for den nye forsøgsopstilling vil blive langt mere potent end den gamle ved at kunne teste, om brint og antibrint er ens, på flere forskellige måder – den vil nemlig ikke kun kunne studere antibrint ved hjælp af mikrobølger, som hidtil, men også gøre det ved hjælp af laserlys, som vil gøre det muligt at måle overgange i antibrint langt mere præcist.
»I princippet er lasereksperimenterne de samme som dem, vi allerede har gennemført med mikrobølger, men de foregår ved en anden bølgelængde. De kvantespring, vi kan nå med lasere, udmærker sig ved ikke at blive påvirket af variationer i magnetfeltet. Når man bruger mikrobølger, skal man kende magnetfeltets styrke i uhyre stor detalje, men det er umuligt at kende et magnetfelt med 17 decimalers nøjagtighed. Ved at bruge laser er vi ude over det problem,« siger Niels Madsen.
Der er ingen tvivl. Dette resultat er absolut det største i min karriere.
Jeffrey Hangst
ALPHA-gruppen har brugt et årti på at komme så langt, og de er stærkt opsatte på at gå den sidste vej.
»Brintatomet blev kortlagt af den berømte danske fysiker Niels Bohr, og som dansk forsker føler man en vis forpligtigelse til at fortsætte det gode arbejde med detaljerede studier af antibrint. Vi kæmper til den bitre ende for at få resultaterne i hus med en klar forventning om at blive klogere på fysikken og den forunderlige verden, vi lever i,« siger Jeffrey Hangst og slutter:
»Niels Bohr fik sit ansigt printet på et frimærke. Det kunne da være skægt at få det samme.«
\ Antibrintatomer snakker med mikrobølger
Et antibrintatom har en positron i stedet for en elektron susende rundt om sin kerne og ALFAgruppen har bygget sin forsøgsopstilling på en måde, så det udsætter antibrintatomerne for mikrobølger med frekvenser, der kan få elektronen i et brintatom til at hoppe op i et højere energiniveau.
Spørgsmålet er så, om antibrintatomet opfører sig på samme måde ved at elektronens spejlbillede positronen laver et kvantespring og hopper over i en anden energitilstand. I så fald vil positronen siden henfalde igen, hvorved antibrintatomet udsender stråling, der sladrer om antibrintatomets indre opbygning.
Dette forsøg kræver, at man kan fastholde antibrintatomerne og forhindre dem i at støde ind i det omkringliggende stof, og det sker ved hjælp af særdeles kraftige magnetiske felter. Magnetfeltet indfanger antibrintatomet ved at holde dets positron fast i en skruestik. Positronen kan opfattes som en lille stangmagnet, der kan have faste positioner kaldet ’spin’, og magnetfeltet sørger for at positronen kun kan have et bestemt spin svarende til en bestemt energitilstand.
Almindelige brintatomer, der er indfanget i sådan en fælde, vrider sig ud af skruestikket hvis de bliver bestrålet med mikrobølger på 28 GigaHertz (milliarder svinginger per sekund). Mikrobølgerne får ganske enkelt elektron til at ændre spin og dermed hoppe ud af sin energitilstand.
Forskergruppen Alfa har demonstreret, at antibrintatomerne reagerer lige sådan, for i det øjeblik forskerne bestrålede dem med mikrobølgerne, slap de som et trylleslag ud af den magnetiske fælde.
Det samme forsøg blev nu gennemført med en frekvens, der var 100 MegaHertz lavere end før, hvilket er tilstrækkeligt langt fra den frekvens, der kan forårsage kvantespring i brint. Disse bølger frermkaldte heller ikke nogen reaktion hos antibrint.
»Vi flytter et signal på 28 GigaHertz med 100 MegaHertz, det vil sige at vi opnår en lille præcision på kun 1/4000. Der er ikke nogen, der forventer, at brint og antibrint er forskellige på dette niveau, men metoden dokumenterer, at det kan lade sig gøre at skabe kvantespring i antibrint og lave en detaljeret kortlægning,« siger Niels Madsen.
\ Eksperimentet en knivsbred fra at mislykkes
Forskerne havde lavet en detaljeret plan for, hvordan de skulle få resultaterne i hus, og den strakte sig over hele sidste år. Alting forløb planmæssigt indtil fem dage før deadline, hvor den maskine, som forsyner forskerne med antiprotoner, pludselig brød sammen. Forskerne havde knoklet på i døgndrift gennem måneder, da maskinen fik et vacuumlæk.
»Vi havde susende travlt, da det skete, og havde kun en uges observationstid tilbage. Vi var temmelig skuffede og følte stor afmagt, for det var et yderst kritisk tidspunkt, for selv om vi havde godt med målinger, så vurderede vi, at vi havde brug for en uge mere, for at få et resultat, der var statistisk overbevisende,« siger seniorforsker Niels Madsen fra ALPHA-gruppen.
Gode råd var dyre, og forskerne gik i plenum for at diskutere, hvad de kunne gøre, og en smule desperate gennemgik de deres data for at se, om de på mirakuløs vis alligevel skulle have nok.
»Det lykkedes os at undertrykke baggrundsstøjen med en faktor 100, og det var tilstrækkeligt til at vise, at vi havde opnået et kvantespring i antibrint. Og det er vi selvfølgelig lettede over og meget tilfredse med. Nu har vi motivationen til at knokle videre,« siger Niels Madsen.
