Antimateria kan kasta ut fysiken i fritt fall

För 13,8 miljarder år sedan uppstod allting ur en punkt i ingenting. En enorm energi utvecklades och blåste upp det nyfödda universum med en ofattbar hastighet.

I och med utvidgningen kyldes universum ner tillräckligt mycket för att en del av energin skulle förtätas till partiklar. Sekunden efter utplånade de emellertid varandra och lämnade efter sig ett universum som för alltid skulle vara tomt – inga gaser, dammoln, stjärnor, planeter eller galaxer, bara en energifylld rymd utan materia.

Så kort borde universums historia kunna berättas, åtminstone enligt fysikernas teorier, som anger att när energi omvandlas till partiklar bildas lika många materiapartiklar och antimateriapartiklar. Och när de möts utplånar de varandra och återgår till energi.

Därför är det en gåta att universum i dag fortfarande innehåller materia och att vi över huvud taget existerar. Denna gåta kan bara lösas genom att studera vad som har hänt med den antimateria som saknas i ekvationen.

Svaret kan finnas i ett antal små skillnader mellan materia och antimateria. Dessa har fysiker vid Cern, det europeiska forskningscentrumet för partikelfysik, nu börjat leta efter.

Forskarna går i Galileis fotspår

Genom att kraftigt kyla ner antimateria har de fått nya möjligheter att studera den mer detaljerat. Resultaten kan antingen visa vart den saknade antimaterien har tagit vägen eller om det är något fel med forskarnas grundläggande fysikaliska teorier.

Experimenten, som går under benämningen Alpha, ska bland annat visa om gravitationen påverkar materia och antimateria på samma sätt.

Enligt fysikernas så kallade standardmodell borde det vara så, eftersom en partikel och dess antipartikel är spegelbilder av varandra. En proton och en antiproton har lika stor massa, men motsatt laddning och spinn. Det samma gäller för en elektron och dess antipartikel positronen. Och på samma sätt som protonen och elektronen tillsammans bildar en väteatom blir resultatet antiväte när en antiproton och en positron förenas.

Enligt standardmodellen lyder materia- och antimateriapartiklar under en viss symmetri som kallas CPT. Om det visar sig vara en grundläggande skillnad på dem, till exempel att de beter sig olika i ett gravitationsfält, innebär det ett brott mot symmetrin, vilket skulle dra undan mattan för standardmodellen.

Det är följaktligen mycket som står på spel när forskarna i Alphaprojektet testar gravitationens inverkan på antimateria.

Forskarnas metod påminner en hel del om de försök som Galileo Galilei genomförde för över 400 år sedan.

Galilei genomförde otaliga fallexperiment, där han visade att tunga objekt faller lika snabbt som lätta objekt.

Enligt historien lät han två järnkulor falla från lutande tornet i Pisa för att demonstrera sina resultat. I själva verket var emellertid hans försök betydligt mer detaljerade och långvariga.

Under årtionden rullade han kulor nedför små ramper som han låtit tillverka för ändamålet och förde detaljerade anteckningar om hur lång tid det tog för kulorna att rulla ner.

När han var färdig hade han inte bara visat att föremål faller lika snabbt oavsett hur tunga de är och vad de är tillverkade av. Han hade också visat de följande generationerna av naturforskare hur vetenskap bör bedrivas: genom noggranna experiment med detaljerade anteckningar.

Liten skillnad kan förklara universum

Sin grundlighet till trots kunde Galilei inte inkludera antimateria i sina försök. Antimateriens existens förutsades nämligen först år 1928 av den brittiske fysikern Paul Dirac. Fyra år senare dokumenterades den första antipartikeln, positronen, på experimentell väg.

Sedan dess har den stora frågan varit om Galileis regelbundenheter även gäller antimateria. Skulle det till exempel kunna vara så att antimateria faller ”åt fel håll”, det vill säga uppåt? Det låter vansinnigt, men faktum är att det är en möjlighet, även om de flesta fysiker inte tror att det förhåller sig så.

Det behöver dock inte vara så stora skillnader. Det kan även finnas små variationer i partiklarnas så kallade kvanttal som gör att antimateriapartiklar påverkas annorlunda av gravitationen än motsvarande materiapartiklar. Kanske faller de aningen snabbare eller aningen långsammare i ett gravitationsfält.

Om så är fallet är det kanske anledningen till att det strax efter stora smällen uppstod ett litet överskott av materiapartiklar. Fysikerna har räknat ut att om bara en av tio miljarder materiapartiklar överlevde en sekund efter stora smällen, så kan resten, det vill säga det universum vi ser i dag, förklaras med de teorier vi har.

För att komma fram till orsaken till den lilla skillnaden behöver forskarna vid Alpha studera den flyktiga antimaterien tillräckligt länge för att kunna utföra experiment med den. Under försöken får antimateriapartiklarna inte komma i kontakt med materiapartiklar. Därför görs experimenten i vakuumtankar som är helt tömda på luft.

Med starka magneter kan forskarna hålla antimaterien svävande, så att den inte vidrör tankarnas insida. Något nytt är att de kan kontrollera antimaterien med hjälp av ultraviolett laserstrålning.

Laserljus bromsar antimateria

Precis som vanlig materia är antimateriens temperatur ett uttryck för hur snabbt de atomära partiklarna rör sig. När antimateriapartiklarna har skapats i en av Cerns partikelacceleratorer har de en hastighet av upp till 90 meter per sekund. Nya försök har emellertid visat att det med hjälp av den så kallade dopplermetoden går att sänka hastigheten till tio meter per sekund.

Metoden utnyttjar fenomenet att en vågs frekvens påverkas när avståndet mellan vågens avsändare och mottagare förändras.

Om mottagaren rör sig bort från avsändaren dras vågorna i det ljus som når mottagaren ut. Det innebär att frekvensen sjunker, vilket ger ljuset en rödförskjutning. Om mottagaren i stället rör sig i riktning mot avsändaren pressas vågorna samman, så att frekvensen ökar och ljuset får en blåförskjutning.

I Alphaforskarnas nya nedkylningstank är laserns frekvens så smart inställd att den enbart påverkar de antiatomer som tar emot laserljus med blåförskjutning, det vill säga antiatomer som rör sig mot lasern. De absorberar ljuspartiklarna som strömmar mot dem och tappar därmed fart.

Antiatomer som antingen står stilla eller rör sig bort från lasern påverkas inte. Totalt sett kommer antiatomernas hastighet därför att sjunka – och därmed även deras temperatur.

När forskarna på så vis har kylt antivätet till en temperatur nära absoluta nollpunkten leds det vidare till en lodrät vakuumtank, där själva fallförsöken görs.

Experimentet är nästan likadant som det Galilei utförde. Forskarna låter helt enkelt antiatomerna falla genom vakuumtanken och mäter hur lång tid det tar innan de når botten.

De kan inte missa när det sker, för när antiatomerna möter de vanliga atomerna längst ner i tanken utplånas de och avger ren energi i form av strålning, som enkelt kan mätas.

Om fallförsöken på Cern visar att antimateria påverkas annorlunda av gravitationen än vanlig materia får fysikerna fullt upp med att beräkna om det skulle kunna förklara universums överskjutande materia.

I annat fall hittas kanske svaret i försök där man studerar andra egenskaper hos antimateria, till exempel om antiatomer tar upp och avger energi på exakt samma sätt som vanliga atomer.

Om inte heller det är förklaringen finns ett tredje alternativ, nämligen att den saknade antimaterien faktiskt inte saknas, utan fortfarande finns i universum i form av antistjärnor och antiplaneter.

Astronomer letar efter antistjärnor

Tills nyligen har de flesta fysiker avfärdat denna möjlighet som ren science fiction, men på senare år har ett annat experiment, AMS på den internationella rymdstationen ISS, registrerat en rad mystiska partiklar, närmare bestämt atomer av antihelium, som eventuellt kan förändra vår förståelse av universum.

Det är inte ovanligt att se enkla antiprotoner från världsrymden, där de bildas i ett antal kända processer.

Antiheliumatomer, som innehåller tre eller fyra kärnpartiklar, är dock så svåra att bilda och hålla stabila att forskarna inte hade räknat med att upptäcka några sådana – annat än om de kommer direkt från en antistjärna som består av antimateria.

Tanken på antistjärnor kan framstå som exotisk, men teoretiskt sett är det inget som hindrar deras existens. På avstånd ser de ut som helt vanliga stjärnor av materia, och deras inre processer är de samma. De fusionerar bara antiväte till antihelium i stället för väte till helium.

Den enda möjlighet vi har att identifiera antistjärnor är genom att observera kollisioner mellan de antipartiklar som de avger och vanliga materiapartiklar i deras omgivning.

Vid kollisionerna kommer partiklar och antipartiklar att utplåna varandra och avge energi i form av gammastrålning. Med rymdteleskopet Fermi kan denna strålning mätas, och nyligen har forskare vid Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées i Frankrike granskat Fermis mätningar från alla stjärnor i Vintergatan i ett försök att hitta eventuella antistjärnor.

Resultatet var 14 kandidater som avgav gammastrålning av en styrka som forskarna inte kan förklara på något annat vis.

Om de 14 gammakällorna verkligen är antistjärnor, uppbyggda av antimateria från universums födelse, är fortfarande ovisst, men om det visar sig vara så måste stora smällen-teorin omvärderas.

Det är därmed inte bara fysikernas standardmodell som ställs på prov när forskarna på Cern nu ger sig i kast med de nya antimateriaexperimenten. Även kosmologernas teori om universums skapelse och utveckling kan komma att ifrågasättas.