Första mätningen av antiatomers inre

Atomer gjorda av den vanliga materiens spegelbild - antimateria har undersökts genom mikrovågsspektroskopi. Experimentet har utförts vid CERN av ett forskarsamarbete kallat ALPHA, bestående av cirka 40 forskare vid 15 universitet, där Svante Jonsell från Fysikum på Stockholms Universitet ingår. Noggrannheten i mätningarna är ännu ganska grov, men detta första lyckade försök öppnar för mer precisa studier i framtiden. Resultaten har publicerats i tidskriften Nature.

ALPHA-experimentet

ALPHA

ALPHA är ett experiment som startades 2005 vid CERN med målet att fånga och undersöka atomer av antiväte. ALPHA är en fortsättning på ett tidigare experiment kallat ATHENA, som år 2002 skapade de först atomerna av antiväte vid låga energier. ALPHAs första mål var att fånga antiatomer i en så kallad atomfälla. Detta visade sig vara svårt eftersom antiatomerna måste ha mycket låga energier (mindre än cirka en halv grad över den absoluta nollpunkten) för att fastna i fällan. Antiatomer som är varmare träffar omedelbart fällans väggar, där de förstörs i materie-antimaterie annihilation. Denna annihilation är experimentets signal att antiatomer har skapats (och förstörts).

Först i november 2010 kunde ALPHA rapportera att man observerat ett fåtal antiatomer som fångats i en fälla (38 stycken totalt). Fällan utnyttjar antiatomernas magnetiska moment. Om detta pekar i rätt riktning kommer antiatomen att söka sig till de områden där magnetfältet är som lägst (och för motsatt riktning på det magnetiska momentet söker sig antiatomen till höga magnetfält). Med hjälp av spolar som är noggrant lindade i rätt form kan man skapa en magnetisk "grop" där antiatomer med rätt riktning på sitt magnetiska moment fastnar i en atomfälla. I experimentet lämnas fällan på tillräckligt länge för att alla ofångade antiatomer ska hinna försvinna. Sen stängs fällan hastigt av. Om annihilationer åter ses måste de komma från antiatomer som suttit fast i fällan. Genom att slå på elektriska fält kontrolleras att annihilationen kommer från elektriskt neutrala antiatomer och inte t.ex. laddade antiprotoner som också kan infångas.

I nästa försök hölls fällan påslagen allt längre tider, för att se om antiatomerna fortfarande skulle finnas kvar därinne när den slås av. Antiatomerna kan inte bli kvar hur länge som helst eftersom de förr eller senare kommer att träffa på en vanlig atom som blivit kvar i atomfällan. Det visade sig dock att antiatomerna är kvar i åtminstone 1000 sekunder, eller ungefär 15 minuter. Det är viktigt av två skäl. För det första är detta mer än tillräckligt med tid för att antiatomen ska hinna göra sig av med inre energi och nå sitt lägsta energitillstånd (grundtillståndet). Det tillståndet är det mest användbara i fortsatta experiment. Det andra skälet är att så långa tider möjliggör undersökningar av antiatomernas egenskaper trots att bara ytterst få infångas (i snitt ungefär en per försök).

ALPHA sett från ovan
ALPHA-experimentet

Längst ner i mitten av bilden syns utsidan av den supraledande magnet som ger ett 1 Tesla fält för att hålla fast laddade antiprotoner och positroner. Inuti magneten skapas och fångas antiatomerna. I bakgrunden pågår arbete för att byta kärl med flytande helium, som behövs för att kyla ner fällan.

De nya resultaten

ALPHA har nu lyckats göra de allra första studierna av de fångade antiatomernas inre struktur. Detta görs genom att mikrovågor leds in i atomfällan. För att atomerna ska kunna hållas fast i fällan måste deras magnetiska moment peka motsatt magnetfältets riktning. Om mikrovågorna har precis rätt frekvens kommer antiatomernas magnetiska moment byta riktning. Antiatomerna ramlar då ut ur fällan.

Den frekvens som får det magnetiska momentet att byta riktning är väl känd för vanligt väte. Det ALPHA vill testa är om samma frekvens fungerar för antiväte. Därför gjordes tre uppsättningar försök: med mikrovågor på den frekvens som fungerar för vanligt väte, med mikrovågor vid en annan frekvens och utan mikrovågor. Resultatet var att då mikrovågorna har "rätt" frekvens så finns inga antiatomer kvar i fällan efter 240 sekunder, men i de två andra fallen så var de kvar. Dessutom kan man se att antiatomer faller ut ur fällan strax efter att mikrovågorna slås på, om de har rätt frekvens.

Silicon detector
ALPHAs partikeldetektor

Partikeldetektorn består av tre lager med kiseldetektorer. Partiklar från materie-antimaterie annihilation lämnar spår i detektorerna, vilka kan rekonstrueras till partikelbanor. Genom att leta efter platsen där flera banor möts kan vi ta reda på var annihilationen skedde. Detektorn omsluter atomfällan och är placerad inuti den supraledande magneten (se bilden ovan).

Varför undersöka antiväte?

Om någon skillnad mellan väte och antiväte kan hittas så vore det en riktig sensation. Det finns ett väldigt grundläggande teorem i fysiken, CPT teoremet, som förutsäger att de måste vara exakt lika. Men som alla matematiska teorem måste CPT teoremet härledas från vissa (i och för sig mycket rimliga) antaganden. I fysiken är det alltid experiment som avger den slutgiltiga domen, och CPT teoremet måste därför testas.

Finns det då någon som helst anledning att tvivla på CPT teoremet? Tidigare har man varit övertygade om att andra liknande lagar (kallade P och CP) ska hålla, men experiment har visat att det var felaktigt. (Dessa lagar hade dock inte samma status av matematiskt härledbara teorem.) Vi vet också att på något vis måste det finnas en skillnad mellan materia och antimateria. Hur skulle det annars kunna komma sig att allt runt oss är gjort av vanlig materia och inga spår syns av antimaterien? Detta trots att när energi omvandlas till massa, som efter Big Bang då universum uppstod, måste lika mycket antimateria som materia bildas. Ett brott av CPT teoremet skulle kanske kunna förklara detta.

Vad sker härnäst?

Silicon detector
ALPHAs innersta

Cylindriska elektroder som kan sättas till olika spänningar. På så vis kan man skapa elektriska potentialer som kan hålla fast både negativt laddade (antiprotoner) och positivt laddade (positroner) partiklar inuti cylindern. Utanpå elektroderna sitter spolar som skapar magnetfälten för atomfällan (syns ej på bilden) därefter följer partikeldetektorn (se ovan).

Våra första glimtar av antivätes inre struktur visar alltså att väte och antiväte reagerar likadant på mikrovågor. Ännu så länge är dock precisionen i experimentet ganska grov. Allteftersom experimentet förbättras kan mer noggranna jämförelser göras, och allt mindre skillnader mellan atomer och antiatomer, ifall det finns sådana, upptäckas.

ALPHA kommer också att undersöka andra egenskaper hos antiatomer. Just nu byggs nere på CERN en ny apparat, ALPHA-2, som kommer göra det möjligt att nå antiatomerna med laserljus. Det blir då möjligt att jämföra vätes och antivätes inre struktur vid helt andra energier än med mikrovågor. Andra undersökningar kan till exempel vara om antiatomer faller lika fort, och i samma riktning, som vanliga atomer faller i jordens gravitationsfält.

Videoklipp om ALPHA

CERN news

animation

video news release

CERN people, matter vs. antimatter

Pressmeddelanden och publikationer

Pressmedelande från Stockholms universitet http://www.su.se/om-oss/press-media-nyheter/pressrum/unika-forsta-studier-av-antimateriens-inre-1.79607

Artikeln i Nature http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature10942html

ALPHAs hemsida http://alpha.web.cern.ch

CERNs pressmeddelande http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2012/PR06.12E.html