Fysikere har kigget ind i antiverdenen i 15 minutter

I science fiction-filmene og i julekalenderne på tv eksisterer der tit et parallelunivers, hvor der hersker nogle andre fysiske love, hvor verden enten er vendt på hovedet eller fremstår som et syret spejlbillede af den virkelighed, vi kender så godt.

I millisekunderne efter Big Bang, hvor vores univers blev født, lå det faktisk også i kortene, at der kunne være blevet etableret to forskellige verdener, hvor den ene ville ligne den klassiske verden, som vi kender den, og den anden ville være et spejlbillede af vores verden, som ikke ville være bygget op af stof, men af antistof.

For under den store eksplosion, hvor universet blev født, blev der dannet lige store mængder af dels stof, som planeter, stjerner, galakser og du og jeg er lavet af, og så det mystiske antistof, der er et spejlbillede af stof blot med den forskel, at ladningen har skiftet fortegn.

Stof og antistof har det ikke godt med hinanden

Der blev ikke født nogen antiverden af en meget simpel årsag. Stof og antistof kan populært sagt ikke udstå hinanden og kan ikke være i den samme stue. Hvis stof og antistof kommer i kontakt med hinanden, vil der blive frigivet en enorm energimængde, og de vil forsvinde sammen i et stort lysglimt.

Det er derfor stadig et mysterium i dag, hvorfor alt stof og antistof ikke forsvandt samtidig i en gigantisk eksplosion, så snart det opstod, og hvorfor det lykkedes det stof, som vores verden er lavet af, at ’overleve’, mens antistoffet forsvandt og stort set er ikke-eksisterende i vores univers i dag.

»Vi har ikke nogen forklaring på, hvorfor der ikke er noget antistof i universet, og det er en af de største fysiske gåder i dag. En af forklaringerne kunne være, at stof og antistof måske ikke er fuldstændig ens, som de fysiske teorier ellers foreskriver. Hvis der viser sig at være blot en lillebitte forskel, kan det være forklaringen på, at antistof ikke kunne overleve i vores univers og gik til grunde, så snart det blev født. Derfor er vi på jagt efter den lille forskel, og nu har vi lavet et eksperiment her på CERN, hvor vi har taget et stort skridt i jagten på at løse den store gåde«, siger professor Niels Madsen fra Swansea University.

Han har deltaget i det aktuelle eksperiment, som i dag bliver offentliggjort i verdens førende tidsskrift Nature. Det er det såkaldte ALPHA eksperiment hos CERN i Schweiz, hvor Aarhus Universitet også deltager med professor Jeffrey Hangst som leder.

Laver antistof helt fra bunden

For det er i de underjordiske laboratorier lykkedes at lave antistof helt fra bunden i form af et antibrintatom, som er et nøjagtigt spejlbillede af brintatomet, som dels er det mest velstuderede atom i fysikkens verden og dels er det atom, der findes mest af i hele universet.

»Når vi arbejder med almindelige atomer her på CERN, så kan vi bestille dem i en butik, høste dem fra luften eller grave dem op af jorden. Men når det gælder antiatomer, så må vi bygge dem selv, fordi de ikke findes naturligt i vores omgivelser, og vi skal sørge for at isolere dem 100 procent, for ellers forsvinder de i et lysglimt«, siger Niels Madsen, som i øjeblikket bor i Geneve fem minutter fra de underjordiske laboratorier.

Hos CERN er de verdensmestre i at smadre atomkerner mod hinanden med en hastighed på nær lysets hastighed, hvor sammenstødet føder en masse af de partikler, som atomer og antiatomer er opbygget af, som for eksempel protoner, neutroner og elektroner.

»Fra disse sammenstød er det lykkedes os at fange to antipartikler i form af en antiproton og en positron, som er en elektron med en positiv ladning. Vi har klistret dem sammen og lavet et antibrintatom, som vi i et lille kammer med små vinduer har frosset ned til cirka en halv grad over det absolutte nulpunkt. Vi holder så antiatomerne svævende ved hjælp af en magnetfælde, som er styret af superledende magneter. På en god dag kan vi i gennemsnit holde 15 hjemmelavede antibrintatomer svævende inde i vores fælde på en gang«, siger Niels Madsen.

Kaster lys på antistof for første gang

I denne sirlige opstilling er det lykkedes forskerne som de første i verden at få et antibrintatom til at reagere på laserlys og har fået bragt antiatomet ud af sin hviletilstand til en såkaldt anslået eller exciteret tilstand, og så har de regnet ud, hvor meget energi de har brugt til at bringe antiatomet i den tilstand.

Det lyder som noget af en præstation, og der er mening med anstrengelserne. For med denne forsøgsopstilling vil de gerne vide, om antibrintatomet opfører sig præcis som et brintatom, som fysikkens love foreskriver det. Altså skal der præcis lige så meget energi til at anslå et brintatom som et antibrintatom eller er der en lillebitte forskel, der kan forklare, hvorfor antistof blev den lille i kampen mod stof i tidernes morgen.

Hvis du er kommet så langt ned i artiklen, vil vi nu afsløre, hvad forskerne opdagede. De fandt ud af, at der skal den samme energi til at anslå et brintatom og et antibrintatom helt ned til 10 decimalers nøjagtighed.

»Med den præcision som vores forsøgsopstilling har nu, er det ikke lykkedes os at se nogen forskel på stof og antistof endnu. Måske var ti decimalers nøjagtighed ikke nok til at finde en forskel, så vi vil arbejde videre med at optimere forsøgsopstillingen, så målingerne kan blive endnu mere præcise. Hvis vi skal være ærlige, så forventede vi ikke at se en forskel så tidligt i vores arbejde, for hvis forskellen mellem antistof og stof havde været ’så stor’, så var vi blevet klogere på antistof for mange år siden«, siger Niels Madsen og fortsætter:

»Så mysteriet om antistof er stadig et mysterium, men nu har vi en forsøgsopstilling, hvor det er lykkedes os at fange antistof og måle på det. Så hvem ved, måske står vi med det store gennembrud om få måneder eller år«, siger Niels Madsen.

Hvis det lykkes, vil det ifølge Niels Madsen revolutionere vores verden som kvantemekanikken gjorde det, da den blev opdaget for mere end 100 år siden med Niels Bohr som en af de store videnskabelige drivkræfter.

»Hvis det ikke havde været for kvantemekanikken, havde vi ikke været der, hvor vi står i dag, og vi havde eksempelvis ikke haft computere eller andre avancerede teknologier, som man kan komme i tanke om. Det mest avancerede vi ville have haft uden kvantemekanik ville være dieselmotoren«, siger Niels Madsen.

En jomfuelig rejse ind i antiverden

Niels Madsen kan blive helt filosofisk, når talen falder på antistof.

»Den ubalance, der var mellem stof og antistof, da universet blev født, hvor stof endte med at veje mest på vægtskålen, er årsagen til at vi overhovedet kan stille det spørgsmål i dag. For havde stoffet tabt kampen til antistoffet eller blot spillet uafgjort, så ville vi ikke eksistere. Så dybest set forsøger vi også at løse selve livets gåde«, siger Niels Madsen.

Videnskabsjournalist Henrik Prætorius fra Experimentarium, som har fulgt udforskningen af antistof tæt, sammenligner forskernes arbejde med de tidligste opdagelsesrejsende, der opdagede nye steder i verden, som før var bare pletter på verdenskortet.

»Forskerne har bevæget sig ud i en uopdaget del af fysikken. Det er lykkedes dem at søsætte bittesmå skibe. De har klaret den første bølgegang og er nu på vej længere og længere ind i antiverden og kan se mere og mere. De er ikke nået ret langt fra kysten, men de er derude«, siger Henrik Prætorius og fortsætter:

»Men indtil videre ligner antiverden fuldstændig den klassiske verden. Det ville være fristende og tillokkende at kalde det et antiklimaks, når det handler om antistof, men det er alt for tidligt at komme med sådan en konklusion, for rejsen er jo først lige begyndt«.

Dokumentation: Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen