Antiatomer fångade i atomfälla

Atomer gjorda av den vanliga materiens spegelbild - antimateria har fångats i en atomfälla. Experimentet har utförts vid CERN av ett forskarsamarbete kallat ALPHA, bestående av cirka 40 forskare vid 15 universitet, däribland Svante Jonsell vid Stockholms Universitet. Målet är nu att kunna studera antiatomerna i fällan för att se om de på något vis skiljer sig från vanliga atomer.

Paul Dirac
Paul Dirac

Paul Dirac förutsade 1930 antipartiklars existens.

Antimateria

Antimateria började som en rent teoretisk ide. Kring 1930 försökte Paul Dirac kombinera Einsteins speciella relativitetsteori med kvantmekaniken. Han lyckades bra, förutom att han fick för många lösningar. För varje vanlig lösning fick han också en lösning med negativ energi, vilket borde vara ofysikaliskt. Dirac antog djärvt att lösningarna med negativ energi också var riktiga - de motsvarar en ny sorts "antipartikel", likadan som den vanliga, förutom att den har motsatt elektrisk laddning.

Snart bevisades det dock att Diracs antipartklar inte bara var en teoretisk fantasi. Elektroner med "fel" laddning, det vill säga antielektroner (positroner) upptäcktes 1933 dels av Anderson och dels av Blackett och Occhialini i den kosmiska strålningen som träffar jorden. Vätekärnans antipartikel, antiprotonen, upptäcktes 1955 i acceleratorexperiment vid Lawrence Berkeley laboratoriets Bevatron. Sedan dess har många experiment med antiprotoner gjorts, och man har bland annat lärt sig att kyla dem och hålla fast dem i fällor gjorda av elektriska och magnetiska fält.

En annan egenskap hos antipartiklar är att de förgörs så fort de kommer i kontakt med vanliga partiklar. Alltså är det svårt att använda dem som byggstenar för mer komplicerade strukturer som liknar vanlig materia. De första antiatomerna, uppbyggda av antipartiklar, skapades i experiment vid CERN och Fermilab på 1990 talet. Detta var den enklaste antiatomen, antiväte, som består av en positron som cirklar kring en antiproton. I dessa tidiga experiment kunde man dock bara se några 10-tal antiatomer och dessutom rörde de sig med nära ljusets hastighet, vilket gjorde fortsatt experimenterande med dem omöjligt. Är 2002 kunde två experiment vid CERN, ATHENA och ATRAP, visa att de skapat stora mängder antiväte atomer vid relativt låga energier.

ALPHA experimentet

ALPHA

ALPHA experimentet startades 2005 som en uppföljare till ATHENA. Målet för ALPHA är att först fånga några av de antiatomer som skapas, för att sedan kunna undersöka deras egenskaper i detalj. Det förstnämnda har man nu lyckats med.

Orsaken till att det har tagit flera år att lyckas med att fånga antiväte är att antiatomer (liksom atomer) är elektriskt neutrala. Elektriskt laddade partklar, som antiprotoner och positroner, kan hållas fast med elektriska fält. För en neutral antiatom går inte det, istället måste man utnyttja magnetiska krafter. Magnetiska krafter är dock mycket svagare än elektriska, så antiatomerna måste ha väldigt låg rörelseenergi, d.v.s. vara väldigt kalla, för att fastna i fällan. Av de många antiatomer som produceras i ALPHA har nu hittills 38 stycken visat sig ha tillräckligt låg energi (ungefär en halv grad över absoluta nollpunkten) för att fångas av magnetfälten.

ALPHAs magnetfälla
ALPHAs magnetfälla

Trådarna med en diameter på 1 mm som håller på att lindas till en spole är supraledande. Då en ström på 1100 A dras genom spolen skapas ett magnetfält som kan fånga tillräckligt kalla antiatomer.

Foto: Niels Madsen, ALPHA, CERN.

Vad sker härnäst?

ALPHA fortsätter nu att förbättra experimentet så att tillräckligt många antiatomer för att studera dem ska kunna fångas åt gången. Sen vill man göra spektroskopi på antiväte, det vill säga studera färgen (våglängden) på ljuset som sänds ut från antiatomerna. Resultaten kan sen jämföras med vanligt väte, där samma mätningar har gjorts med extremt god precision. Finns det någon skillnad mellan väte och antiväte, eller är deras ljus precis detsamma?

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.

Uppdatering 5 juni, 2011

Vi är glada att kunna meddela att vi nu har nått ytterligare ett steg på vägen. I en artikel som publiceras online av Nature Physics idag rapporterar vi att antiatomer har kunnat hållas fågna i åtminstone 1000 sekunder (mer än en kvart alltså). Detta betyder att antiatomerna hinner göra sig av med överskott i sin inre energi och nå sitt kvantmekaniska grundtillstånd under den tid de är ingfångade. Dessutom har vi nu sett drygt 300 antiatomer totalt. Framsteg vad gäller att karaktärisera antiatomernas rörelse-energier har också gjorts.

Rapportering om 1000 s artiklen (juni 2011)

Antihydrogen trapped for 1000 s, reports ALPHA in Nature Physics, June 3 2011.

Artikeln på Nature Physics online (kräver prenumeration)
preprint (open access)
Kommentar i Nature Physics av Cliff Surko
BBC
Scientific American
LA Times
YubaNet.com
mail.com
The guardian
FOX News
Scotsman
YLE (för den som kan finska)
CBS
Daily Mail
The Independent
ABC

Pressmeddelanden och publikationer

Pressmedelande från Stockholms universitet http://www.su.se/pub/jsp/polopoly.jsp?d=426&a=87759

Artikeln i Nature (kräver prenumeration) http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature09610.html

Se också http://www.nature.com/news/2010/101117/full/468355a.html

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

CERNs pressmeddelande http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2010/PR22.10E.html

Svenskspråkiga media

Vetenskapsradions veckomagasin 19 november

Vetenskapsnyheter 18 november

Brunchrapporten i P3 18 november (c:a 31 min. in)

Rapport

SVTs web

Aftonbladet

SvD

Expressen

Hufvudstadsbladet

Teknikdebatt

Vetenskapsrådet

DN

Ny Teknik

Engelskspråkiga media

BBC

BBC Material World

CNN

aljazeera

Discovery channel

BBC radio

Science

Scientific American

Reuters

ABC News

Fox News

The Economist

The Telegraph

National Geographic

Irish Times

Holiday gift idea