Viten

Faller antimaterie oppover?

Forskerne ved CERN er i full gang med eksperimenter for å finne det ut.

Big Bang-teorien forutsier at universet i begynnelsen besto av lik mengde partikler og antipartikler. AEgIS-eksperimentet ved CERN undersøker hvordan antimaterie påvirkes av tyngdekraften.
  • Helga Margrete Holmestad
Viten er Aftenpostens satsing på forskning og vitenskap, der forskere og fagfolk fra hele landet bidrar med artikler.
  • Denne artikkelen er opprinnelig skrevet for studenttidsskriftet Argument, og er gjengitt etter avtale med tidsskriftet og forfatteren.
    Historien skal ha det til at Galileo slapp to blykuler med forskjellig masse fra det skjeve tårnet i Pisa en dag i 1589. Som vi vet i dag, men ingen forventet den gangen, landet de to blykulene samtidig. Han viste på den måten at en kules økning i hastighet på grunn av tyngdekraften var uavhengige av kulens masse.

I dag vet vi mer om tyngdekraften, men ikke nok. Ved AEgIS-eksperimentet på CERN, der jeg jobber, studerer vi hvordan ting faller. Men det er en stor forskjell fra Galileos eksperiment: Vi vil gjerne at den ene kulen skal være av antimaterie.

Eksperimentet

I en hall på CERN, som er et av verdens største partikkelfysikklaboratorier, står et to meter langt, en meter bredt og en meter høyt vakuumkammer. Inni vakuumkammeret finner vi to store magneter, flere lange rør til å sende partikler gjennom, pluss flere forskjellige detektorer og annen elektronikk. Utenfor står det store tønner med flytende helium.

Helga Holmestad

Slik ser AegIS-eksperimentet ut, der omtrent 70 personer jobber.Hvorfor er vi så interessert i å finne ut om antimaterie akselereres av tyngdekraften på samme måte som vanlig materie, og hvorfor håper noen på at en kule av antimaterie vil falle oppover? Dette er fordi utfallet av eksperimentet kan få oss litt nærmere en løsning på et av fysikkens store uløste mysterier: Hvorfor virker det som om det er mer materie enn antimaterie i universet?

Siden materie og antimaterie ikke kan leve side om side uten å utslette hverandre, er det vanskelig å se for seg et univers som består av lik mengde materie og antimaterie. Det er nettopp dette som gjør antimaterie så spennende å studere.

The Big Bang

Den teorien om universets opprinnelse som flest fysikere har tro på i dag er teorien om Big Bang. Kort fortalt går teorien ut på at universet i begynnelsen besto av kun energi, og at rommet så utvidet seg til det universet vi kjenner i dag. Men teorien har et problem, den forutsier at universet består av lik mengde partikler og antipartikler. Og det er her AEgIS-eksperimentet kommer inn.

Som nevnt tidligere håper noen at en kule av antimaterie vil falle oppover. Dette utfallet gir nemlig grobunn for den nærmest science-fiction-aktige teorien om at vi har materie i en del av universet og antimaterie i en annen del.

Dersom gravitasjonskraften virker motsatt på materie og antimaterie, vil to slike regioner frastøte hverandre, og de vil dermed ikke destruere hverandre.

Eksperimentelle utfordringer

Antimaterie kan ikke komme i kontakt med vanlig materie uten å bli destruert. Dette var til og med temaet i boken og filmen “Engler og Demoner” av Dan Brown. Om antimaterie kommer i kontakt med materie vil massen til partiklene gå over til energi. I Hollywood blir dette en skikkelig bombe, i vårt eksperiment og alle andre reelle situasjoner har vi kun nok antimaterie til å få et veldig lite lysglimt.

Derfor er vi nødt til å ha hele eksperimentet vårt inni et vakuumkammer for å unngå at antiprotonene reagerer med luft.

Neste problem er at antiprotonene vi får levert fra CERNs akseleratorkompleks holder en hastighet på syv prosent av lyshastigheten. Det fører til at de beveger seg en distanse på 300 kilometer før de har falt én millimeter. For å ha mulighet til å måle fallet må vi roe dem ned ganske mye, og dette skal vi gjøre med en kombinasjon av forskjellige metoder.

Først blir antiprotonene bremset med flere lag aluminiumsfolie, så fanges de langsomste partiklene i en elektromagnetisk felle og mister der enda mer energi ved å blandes med kalde elektroner. For at antiprotonene ikke skal få energi og dermed høyere hastighet fra omgivelsene, må vi kjøle ned hele eksperimentet ved hjelp av flytende helium.

Målet vårt er at antipartiklene til slutt skal ha en hastighet på hundre meter per sekund.

Løv i stiv kuling

Som noen kanskje husker fra en skoletime vil en ladet partikkel endre bane i et elektrisk eller magnetisk felt. Dessverre er det sånn at gravitasjonskraften er veldig mye svakere enn elektromagnetiske krefter. Dette er et stort problem for oss, for vi kan aldri skjerme oss helt fra elektriske og magnetisk felt. For eksempel er jordens magnetfelt alltid til stede.

Siden antiprotoner er elektrisk ladet, blir det å studere fallet til antiprotoner som å studere hvordan løv faller når det blåser stiv kuling. Løsningen på dette problemet er å gjøre målingene på antipartikler som er elektrisk nøytrale, slik at de ikke påvirkes av elektromagnetiske felt. I praksis betyr dette at vi må produsere antihydrogen, det vil si få et antiproton til å ta til seg et antielektron. Å få til produksjon av antihydrogen er AEgIS-eksperimentets hovedoppgave til sommeren.

Antimaterie i fritt fall

Når vi har klart å lage antihydrogen må vi la antihydrogenet falle i jordens gravitasjonsfelt og observere fallet. Det planlegger vi å gjøre ved å sende antihydrogenatomene gjennom to sett gitter før de treffer en detektor. Med dette oppsettet kjenner vi tre punkter langs banen antihydrogenatomene følger. Det er nok til å finne ut om antihydrogenet faller oppover eller nedover, det er også nok til å regne ut gravitasjonskraften som virker på dem.

En liten brikke i puslespillet

Selv om vi har en klar plan for hvordan vi skal utføre eksperimentet dukker det stadig opp utfordringer. Vi vet for eksempel ikke nøyaktig hva som skjer når antihydrogen treffer detektoren vår. En detektor fungerer omtrent som et fotografiapparat. Vi kan tenke oss at detektoren tar et bilde av at antiprotonet kommer borti et proton i materialet til detektoren, ødelegger atomet og kaster bruddstykkene av dette atomet til alle kanter.

Problemet er at vi ikke vet akkurat hva slags bilder vi skal lete etter. Det er bildene vi får i detektoren jeg skal bruke store deler av doktorgraden min på å studere. Jeg må finne ut nøyaktig hvordan et bilde av et antihydrogen som destrueres i detektoren ser ut, slik at vi kan skille dem fra støy og bakgrunn.

Andre jobber med sine store og små utfordringer, og til sammen håper vi å sette sammen puslespillet slik at vi kan lære mer om antimaterie og kanskje komme nærmere svaret på hvorfor det ser ut til å være mer materie enn antimaterie i universet.

Mest lest akkurat nå

  1. 1
    OSLO
    Publisert:

    Væromslag skaper trøbbel i Oslo: Branner, vann i veien og trær som velter

  2. 2
  3. 3
  4. 4
  5. 5