Enhver partikel har en antipartikel – en slags tvilling med den modsatte elektriske ladning.
Forskere har længe spekuleret over, om antipartikler mon er så meget på tværs, at de også reagerer omvendt på tyngdekraften: Vil en antipartikel mon ’falde opad’ – i stedet for nedad som almindeligt stof – når den påvirkes af Jordens tyngdekraft?
Spørgsmålet er ekstremt svært at besvare og teste med eksperimenter. Men nu er det for første gang lykkedes et forskerhold at vise, at antibrint – brints modsatte tvilling – falder nedad.
»Det er meget svært at måle, hvordan tyngdekraften påvirker antipartikler. Men det lykkedes,« siger en glad og stolt Jeffrey Hangst, professor ved Aarhus Universitet, som har stået i spidsen for det nye eksperiment.
Eksperimentet kaldes ALPHA-g, og det blev udført på CERN, det europæiske center for højenergifysik i Schweiz. Det er nemlig kun her, antiatomer kan dannes og indfanges, så fysikerne kan eksperimentere med dem.
Her har Jeffrey Hangst fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet udført eksperimenter med antibrintatomer i mere end 20 år, men først nu er det lykkedes at vise, at antistof ikke falder opad, men nedad – præcis som almindeligt stof. Resultatet er det foreløbige højdepunkt i antistofforskningen.
\ Læs også
Ingen antityngdekraft
»Det er en super bedrift, for det er en ufattelig svær måling på alle mulige måder,« siger lektor Jørgen Beck Hansen, der forsker i eksperimentel subatomar fysik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, og som har læst den videnskabelige artikel, hvori forsøget beskrives.
Han påpeger, at der er usikkerheder forbundet med målinger, specielt fordi antiatomerne ikke ligger fuldstændig stille, når de bliver sluppet fri fra den fælde, som de først indfanges i. De kan bevæge sig i alle mulige retninger til at starte med, hvilket påvirker måleresultaterne.
Alligevel tør han godt slå fast, at der nu ikke længere er tvivl om, at antibrintatomer opfører sig som almindelige brintatomer i forhold til tyngdekraften:
»Holdet bag ALPHA-g har med stor sikkerhed vist, at antiatomer falder nedad. De har klart og tydeligt udelukket, at antiatomerne går opad – at der er antityngdekraft på spil – og jeg vil også sige, at de har udelukket, at de ligger stille, altså slet ikke påvirkes af tyngdekraften,« siger Jørgen Beck Hansen.
Antistof er højeksplosivt
Antistof ligner almindeligt stof til forveksling, men har den modsatte elektriske ladning. Hvor et almindeligt brintatom består af en positivt ladet proton omkredset af en negativt ladet elektron, består et antibrintatom af en negativt ladet antiproton og en positivt ladet antielektron, også kaldet en positron.
Når en antistofpartikel møder en almindelig partikel, forsvinder begge partikler som ved et trylleslag – de forvandles til energi i form af stråling og eventuelt også nye partikler. Derfor kan antistof i teorien bruges i bomber eller som uhyre effektivt raketbrændstof, og antistof spiller da også en rolle i en del science fiction-historier og i Dan Browns 'Engle og dæmoner', hvor terrorister stjæler antistof fra CERN for at bruge det i en bombe.
Men i virkelighedens verden er mængden af antistof ekstremt lille – forskerne tæller i atomer frem for gram. Og for fysikere er det store spørgsmål, hvorfor vi bor i et univers med masser af stof og kun forsvindende lidt antistof.
\ Antistof blev forudsagt, før de blev fundet
Sidst i 1920’erne ville den britiske matematiker og fysiker Paul Dirac kombinere kvantemekanikken med den specielle relativitetsteori. I 1928 kom han kom frem til en ligning, som kan beskrive en elektron, der bevæger sig med en hastighed nær lysets.
Men Dirac gennemskuede, at samme ligning også tillader en partikel, der til forveksling ligner en elektron, blot med modsat elektrisk ladning. Han konkluderede, at der til enhver partikel måtte høre en antipartikel, altså en partikel med samme masse, men modsat elektrisk ladning. For eksempel en antielektron med positiv ladning og en proton med negativ ladning.
Sådanne antipartikler var aldrig blevet observeret, men i 1932 opdagede den amerikanske fysiker Carl Anderson et spor efter en hidtil ukendt partikel i sit tågekammer, som han brugte til at blive klogere på kosmisk stråling.
Partiklen havde præcis samme masse som elektronen, men en positiv frem for negativ ladning. Elektronens antipartikel var fundet, og den fik navnet positron.
Antistoffet er forsvundet
Naturen lader til at foretrække stof frem for antistof, og det er en af videnskabens store mysterier.
»Der mangler antistof i universet. Vi mener, at der ganske tidligt i universets historie blev dannet lige så meget antistof som stof, men nu er kun stoffet tilbage. Det kan vi simpelthen ikke forklare,« som Jeffrey Hangst siger det.
»Det er ikke sikkert, at studiet af antibrint kan opklare mysteriet, men når nu vi har muligheden, skal vi selvfølgelig foretage så præcise målinger som muligt på antistoffet,« fortsætter han.
»Antibrint er perfekt, hvis man vil undersøge, hvordan naturen love virker på antistof. Vi har kendt almindelig brint rigtig godt siden Niels Bohrs dage, og nu kan vi måle på antibrint og finde ud af, om det opfører sig som brint, eller om der er en forskel.«
Det nye resultatet beskrives i en artikel i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature, og det har været længe undervejs. Helt tilbage i 2016 skrev Videnskab.dk, at fysikerne så småt var gået i gang med at konstruere ALPHA-g.
Eksperimentet blev forsinket af COVID-19, som førte til en toårig nedlukning af CERN, og det var en stor udfordring at konstruere det store apparat.
»Hvor vores tidligere eksperiment ALPHA-2 ligger vandret, skulle vi bruge en lodret antibrintfælde for at måle tyngdekraftens virkning. Vi skulle dreje hele apparatet 90 grader, og det er meget krævende at få antiprotonerne til at skifte retning,« fortæller Jeffrey Hangst.
Antibrint bruger nederste udgang
Med de første versioner af ALPHA-apparatet lykkedes det at undersøge, hvordan antibrintatomer vekselvirker med lys ved at foretage spektroskopiske målinger. Det har Videnskab.dk tidligere skrevet om i artiklerne '»Næsten et mirakel«: Fysikere måler på antistof' og 'Aarhus-forsker har lavet de mest præcise målinger af antibrint nogensinde'.
Her fandt forskerne ud af, at antibrint opfører sig som almindeligt brint, når det gælder absorption og emission af lyspartikler - fotoner. Derefter var turen altså kommet til at undersøge, om antibrint tiltrækker eller frastøder andet stof gennem tyngdekraften.
ALPHA-g fylder godt i den store hal, hvor forskerne eksperimenterer med antistof – en hal, der officielt hedder antiprotondeceleratorhallen, men som populært kaldes antistoffabrikken. Men selve antiatomfælden er blot 25,6 cm høj og 4,4 cm i diameter.
\ Sådan blev forsøget udført
Antistofforskningen foregår i den lille del af CERN’s enorme acceleratorkompleks, der kaldes antistoffabrikken. Her bremses antiprotonerne, før de kombineres med positroner, så ALPHA-holdet kan måle på antibrintatomerne.
1: Antiprotoner skabes, når protoner fra den 628 meter lange accelerator Proton Synchrotron (PS) kolliderer med iridium.
2: Antiprotonerne sendes videre til den 182 meter lange antiprotondecelerator (AD), hvor de bliver bremset ned (se foto under boksen).
3: En decelerator kaldet ELENA (xtra Low ENergy Antiproton) bremser antiprotonerne yderligere, så de kan sendes videre til forskellige eksperimenter.
4: Antiprotonerne fra ELENA køles ned og mister endnu mere fart, før de sendes ind i ALPHA-g. Her møder de positroner opsamlet fra radioaktivt natrium, og resultatet er brints antistof.
5: Antibrintatomerne opbevares i et kraftigt magnetfelt. Cirka 100 antiatomer opsamles i en fælde, og herefter får de lov til at forlade fælden foroven eller forneden.
6: Når et antiatom kolliderer med væggen i ALPHA-g, tilintetgøres det under udsendelse af elektromagnetisk stråling og nye partikler, som kan detekteres. På den måde kunne forskerne tælle sig frem til, at langt de fleste antibrintatomer falder mod til bunden af fælden, før de forlader den. Antistof falder nedad.
Antibrintatomerne fanges først i fælden, og så får de lov til at flygte fra den. Det kan ske gennem to åbninger, en foroven og en forneden. Da de fleste faldt mod bunden af fælden, kan CERN-fysikerne nu sige, at antistof falder mod Jorden på samme måde som almindeligt stof.
Teorier med antityngdekraft kan afvises
Hvis resultatet havde været det modsatte, altså at antistof falder opad, havde det været en kæmpe sensation. Så skulle lærebøgerne skrives om, og Einsteins almene relativitetsteori – vores bedste beskrivelse af tyngdekraften – skulle revideres.
Langt de fleste fysikere havde da også regnet med, at antistof falder nedad, men der findes teorier, som er baseret på, at antistof frastødes af andet stof. Det er typisk kosmologiske teorier, som forsøger at bruge antistofs hypotetiske antityngdekraft til at forklare de fænomener, astrofysikerne kaldes mørkt stof og/eller mørk energi. Med de nye målinger kan sådanne teorier lægges i graven.
Til gengæld mangler fysikerne stadig en god forklaring på, hvorfor universet har så stort et overskud af stof frem for antistof. Den skal måske findes i studiet af neutrinoer, hvilket vi tidligere har skrevet om i artiklerne 'Iskoldt eksperiment skal afsløre stoffets hemmelighed' og 'Hvorfor er der ikke antistof i universet?'
Antiatomerne skal køles godt og grundigt ned
Jeffrey Hangst er ikke færdig med sin antistofforskning. De kommende år vil han og resten af ALPHA-holdet bruge på at forbedre de spektroskopiske målinger af antibrint, og bagefter skal ALPHA-g-eksperimentet gentages med meget større nøjagtighed.
De skal ske ved at nedkøle antibrintatomerne, så de ligger mere stille. I det aktuelle forsøg var antiatomerne nedkølet til en halv grad over det absolutte nulpunkt ved -273,15 grader celsius, og planen er at få temperaturen helt ned på en hundrededel grad over det absolutte nulpunkt.
Jeffrey Hangst håber, at de mere præcise målinger er klar i løbet af 2024.
