ANTIMATERIE I ET MATERIEUNIVERS

NAVN: INGRID OFTE
FAG: STIPENDIAT VED INSTITUTT FOR FYSIKK OG TEKNOLOGI, PARTIKKELFYSIKK

ANTIMATERIE HØRES UT SOM NOE SOM PASSER BEST I EN SCIENCE FICTION BOK. MEN ANTIMATERIE ER REELT NOK. HELT NORMALT ER DET DOG IKKE. ANTIPARTIKLER FINNES I NATUREN I BITTESMÅ MENGDER, MEN FORDI DE IKKE PASSER INN I VÅR MATERIE–VERDEN FÅR DE IKKE LEVE LENGE. FOR NÅR EN ANTIPARTIKKEL MØTER SIN PARTIKKELPARTNER, UTSLETTER DE HVERANDRE! OG LIKEVEL: KOSMOLOGER TROR AT ANTIMATERIE OG MATERIE BLE PRODUSERT I LIKE STORE MENGDER I DET STORE SMELLET. HVORDAN KAN DET DA HA SEG AT UNIVERSET BESTÅR AV NESTEN BARE MATERIE?

ANTIMATERIE BLE FØRST oppdaget teoretisk av fysikeren Paul Dirac i 1928 da han greide å kombinere to nymotens teorierer , relativitetsteorien og kvantemekanikken, for å beskrive en relativistisk partikkel. En slik beskrivelse er nødvendig hvis en partikkel beveger seg med hastigheter nær lyshastigheten. Likningen han fant var elegant, men der var et problem: i tillegg til de vanlige forventede løsningene, hadde likningen løsninger som beskrev en partikkel med negativ energi. Dette så først helt meningsløst ut, men Dirac tolket dette til at der måtte finnes en antipartikkel som hadde samme masse men motsatt ladning av partikkelen.
På denne tiden var elektronet og protonet de eneste elementærpartiklene man kjente til. Partikkelen Dirac forsøkte å beskrive var elektronet. Bare fire år etter Diracs likning, ble antielektroner ble observert i kosmisk ståling, og fikk navnet positron. I 1955 ble også antiprotonet observert i kollisjoner mellom protoner og kopperatomer.

ATOMER OG ANTIATOMER
: Siden den tid har positroner og antiprotoner nærmest blitt hyllevare i kselleratorsammenheng. Positroner produseres i naturen ved radioaktivt henfall av enkelte atomkjerner. Ved hjelp av elektriske og magnetiske felt kan man samle inn og aksellerere disse positronene til ønsket energi. Flere partikkelakselleratorer rundt om i verden kolliderer positroner og elektroner i sine eksperimenter.
Positroner benyttes også i Positron Emission Tomography (PET), en teknikk for medisinsk billedanalyse som gir 3D bilder av kroppen. Det brukes spesielt i kreftdiagnostisering og hjerte- og hjerneforskning. Antiprotoner oppstår ikke av seg selv ved lave energier i naturen, men ved høye energier, for eksempel hvis aksellererte partikler kolliderer, kan partikkel-antipartikkel-par dannes fra energien. Antiprotonene kan skilles fra de andre partiklene ved hjelp av elektriske og magnetiske felt.

Et normalt atom består av en kjerne med protoner og eventueltnøytroner samt en elektronsky som svirrer rundt. Et helt
atom er elektrisk nøytralt og har like mange negativt ladde elektroner som positivt ladde protoner. Det enkleste atomet er
hydrogenatomet, som består av ett proton og ett elektron.

Siden man nå hadde funnet anti-partneren til begge ingrediensene
i et vanlig atom, var det fristende å forsøke å lage et antiatom. Hydrogenatomet er det atomet vi vet mest om. Det ville vært meget interessant å finne ut like mye om antihydrogenatomet for å sammenlikne og se om man kan finne noen forskjell mellom materie og antimaterie.

atom

Dette begynte å bli virkelighet i 1995, da CERN annonserte at de hadde laget 9 hydrogenatomer. Men som seg hør og bør ved Europas største partikkelakselleratorsenter, var disse atomene produsert i høy hastighet, noe som gjorde dem uegnet for nærmere studier. Men i 2002 lyktes de i å produsere «kalde» hydrogenatom ved ATHENA-eksperimentet ved CERN ved å bremse antiprotonene til lav fart og blande dem med en positrongass.
De greide til og med å produsere 400-500 atomer per sekund! Men fremdeles ligger det tekniske vanskeligheter i veien for å studere disse atomene. De elektrisk ladde antiprotonene og positronene kan hver for seg styres ved elektriske felter, men straks de slår seg sammen til et antihydrogenatom blir de tilsammen en elektrisk nøytral enhet, og bryr seg ikke om elektriske felter.

Dermed diffunderer de sin vei, og forsvinner i et blaff i det de treffer på materie. For tiden forsker ALPHA-eksperimentet på hvordan de kan bruke magnetfelt til å holde på antihydrogenene lenge nok til å studere deres egenskaper.

ANTIPARTIKLER I PARTIKKELFYSIKK: Forskjeller mellom materie og antimaterie skulle også være synlig på elementærpartikkelnivå. Diracs likning er fremdeles sentral i «Standardmodellen» for partikkelfysikk. Her beskrives tre familier leptoner og tre familier kvarker, og for hver av disse hører det med en antipartikkel (antileptoner og antikvarker).
Elektronet tilhører den letteste leptonfamilien, og protoner og nøytroner, som finnes i vanlige atomkjerner, er satt sammen av kvarker fra den letteste kvarkfamilien. De to øvrige familiene er tyngre og ustabile. Kvarkene og antikvarkene kan settes sammen til en drøss med forskjellige partikler. Noen av disse uvanlige partiklene kan vi flyktig treffe på i skurer av kosmisk ståling, især når vi er ute og flyr eller oppe på et høyt fjell.

Standardmodellen beskriver også vekselvirkning mellom disse partiklene, som manifesterer seg ved at partiklene utvekseler informasjon med hverandre i form av bosoner. Disse bosonene er også elementærpartikler, men har fundamentalt forskjellig spinnstruktur enn kvarker og leptoner (som er av typen fermioner). Bosonene formidler de kreftene vi kjennersom gravitasjon, elektromagnetisme, svak og sterk kjernekraft.

VED FØRSTE ØYEKAST ser naturlovene ut til å være helt lik for partikler og antipartikler. Prosesser som involverer den sterke kjernekraften har tilsynelatende perfekt symmetri mellom materie og antimaterie. Det samme gjelder den elektromagnetiske kraften. Vi observerer for eksempel at når energi omformes til masse dannes alltid et partikkel-antipartikkel-par, altså like mye av hver. Og dersom disse er ustabile og henfaller til lettere partikler, gjelder naturlovene for den sterke og den elektromagnetiske kraften likt for partikler og antipartikler. Men under den svake kjernekraften oppfører partiklene seg noe annerledes. Den svake kraften synes å mene at retningen i rommet skal bety noe. For eksempel vil et myon (elektronets tyngre slektning) alltid sende ut et elektron mot sin egen polarisasjonsretning når det henfaller, mens et antimyon vil alltid sende ut et antielektron langs sin egen polarisasjonsretning.
Men til tross for at den svake kraften legger inn et ekstra krav til retning i rommet, er det ingenting annet som tyder på at antipartikler skulle henfalle i større grad enn normale partikler.

MEN VI VET at der må være en asymmetri mellom antimaterie og materie, dvs. naturlovene som gjelder for antimaterie må være forskjellige fra dem som gjelder for materie, ellers ville ikke universet sett ut som det gjør. Teoretisk sett kan der finnes flere kilder til asymmetri. Den eneste kilden til asymmetri som finnes i Standardmodellen er CP-brudd.
For å komme videre her er det ikke til å unngå å innføre noen begreper. En teori som er lik for partikler og antipartikler kaller vi symmetrisk under operasjon C (charge conjugation).
En teori som er lik uavhengig av retning i rommet sier vi er symmetrisk under operasjon P (paritetstransformasjon), og en teori som gjelder uavhengig av retning i tid sier vi er symmetrisk under operasjon T (tidsreversering). Litt av et opplegg? Ja, men med disse begrepene kan vi si at at den sterke kjernekraften og den elektromagnetiske kraften er symmetrisk under C-operasjonen (og faktisk også P- og T-operasjonene).
Men den svake kjernekraften er ikke symmetrisk under C eller P alene, men er symmetrisk under kombinasjonen CP. Nesten.
Faktisk finnes der unntak. I noen tilfeller er nemlig også CP-symmetrien brutt. Og dette unntaket kan være en kilde til
å forstå hvorfor antimaterie nesten er forduftet fra vårt univers mens materien er den som dominerer.

atomsmallMATERIE MØTER ANTIMATERIE. HVIS ET ELEKTRON OG ET POSITRON KOLLIDERER, UTSLETTER DE HVERANDRE OG FRIGJØR ENERGI. DERSOM DE I TILLEGG HAR HØY FART SOM FOR EKSEMPEL I EN AKSELLERATOR, ER ENERGIEN STOR NOK TIL AT NYE PARTIKKEL-ANTIPARTIKKEL-PAR DANNES.
KILDE: DESY HAMBURG.

CP-BRUDD VAR OBSERVERT eksperimentelt i 1964 i henfall av elektrisk nøytrale K-mesoner (kaoner). Mesoner er satt sammen av en kvark og en antikvark. Ofte er kvark og antikvark av ulik type, slik at de ikke utsletter hverandre med en gang. Det spesielle med disse partiklene er at de er sammensatte kvantetilstander som er litt materie og litt antimaterie på samme tid. Når de henfaller ved den svake kraften, er det egentlig en av kvarkene inni som henfaller, og det vi ønsker å finne ut er om en kvark lever lenger enn den tilsvarende antikvarken.

Nøytrale kaoner finnes i to typer, på grunn av to forskjellige måter å kombinere kvark og antikvark på, og den ene av dem har kort levetid og henfaller alltid til to pioner (en lettere mesontype), og den andre har mye lengre levetid og henfaller alltid til tre pioner. Dette var regelen. Men så oppdaget man unntaket: man greide å fjerne alle de kortlevede kaonene og fant at noen av de langtlevede kaonene faktisk henfallt til to pioner likevel, som ikke skulle være lovlig dersom CP symmetrien var perfekt.

I flere tiår var dette det eneste eksperimentelle beviset på forskjell mellom materie og antimaterie. Og selv om brudd på CP-symmetrien var bevist i prinsippet, var det ikke nok til å tallfeste asymmetrien mellom materie og antimaterie. Men i 1999 startet to nye eksperimenter som var designet nettopp for å studere CP-brudd. Denne gangen var det en tyngre slektning av K-mesonet, B-mesonet, som skulle studeres. B-mesonet heter så fordi den inneholder en b-kvark, den nest tyngste kvarken som finnes. De to eksperimentene er svært like og konkurrerer om å få de mest presise resultatene: Belle i Japan og BABAR i California, USA. Begge kolliderer elektroner og positroner ved en energi som er optimal for å produsere flest mulig B-mesoner. Begge eksperimentene krever store maskiner (akselleratorer) og involverer mange fysikere, og er derfor internasjonale samarbeidsprosjekter. Universitetet i Bergen deltar i forskningen ved BABAR eksperimentet.

I 2001 publiserte BABAR det første beviset på CP-brudd i B-meson systemet, og rett etter fulgte Belle opp med resultater som pekte i samme retning. Begge resultatene var forenelig med Standardmodellen. Og i løpet av de siste årene har begge eksperimentene samlet inn store mengder data om B-mesonhenfall og målt CP-brudd og materie-antimaterieasymmetri ganske presist i flere henfallskanaler. Det klareste signalet for CP-brudd ble publisert i 2004 da BABAR talte 696 av et meget bestemt henfall av b-kvarken i forhold til hele 910 tilsvarende henfall av anti-b-kvarken. Dette indikerer at anti-bkvarken i disse tilfellene henfaller 13% raskere enn b-kvarken.

MEN DET ER ETTERHVERT klart at de eksemplene på CP-brudd som har vært målt hittil ikke er nok til å forklare den store forskjellen mellom materie og antimaterie som vi ser på kosmisk skala. Og selv om enkelte prosesser viser stor forskjell for partikler og antipartikler, er materie-antimaterie symmetrien så perfekt i nesten alle andre tilfeller at den totale asymmetrien er veldig liten. Men vi vet at Standardmodellen ikke inneholder alle svar. Den har flere mangler, som for eksempel at den ikke kan forutsi massene til elementærpartiklene. Disse må måles eksperimentelt.

Alt i alt har den 18 vilkårlige parametere som alle må måles. Det ville være mer tilfredsstillende å finne en teori som kunne forklare sammenhengene bedre: hvorfor massene er slik som vi måler dem og hvorfor styrken på kreftene variere som de gjør. Og nå er det altså klart at Standardmodellen slik den er i dag heller ikke kan forklare hvorfor verden består av materie og ikke antimaterie.

For få år siden ble det påvist at nøytrinoer, noen bittesmå leptoner, som nesten utelukkende vekselvirker med omverdenen via den svake kraften, faktisk ikke er masseløse som Standardmodellen baserer seg på. Så her må det minst en justering til. Det er også blitt påvist at nøytrinoer fra sola kan skifte identitet på veien til jorden. Dette høres fancy ut, men en liknende «mixing» er velkjent for kvarker og har direkte sammenheng med CP-brudd i meson-henfall. Muligens kan der være betydelige brudd på CP-symmetrien for nøytrinoer også.

Standardmodellen vil nok ikke forkastes i noe tilfelle, men det er klart at den må utvides. Det er ønskelig at en mer fundamental teori kommer på banen. Flere populære kandidater finnes, som for eksempel supersymmetri som også kan inkludere gravitasjon som i dag ikke passer særlig godt inn i Standardmodellen. Ingen av de nye teoriene har foreløpig vært mulig å teste direkte, og dermed er det vanskelig å vite hvilken av teoriene det bør satses mest på. Flere indirekte tester har vært forsøkt, uten at noen klare avvik fra Standardmodellen har vært observert så langt. Det neste store spennende eksperimentelle prosjektet er LHC (Large Hadron Collider) på CERN, som skal starte opp sommeren 2007 med kollisjoner av protoner med mer enn ti ganger høyere energier enn tidligere oppnådd. Store forventninger knytter seg til at dette prosjektet skal belyse nye sider av elementærpartiklenes verden og gi oss mer konkrete spor å gå etter for å forstå det universet vi lever i.


FAKTA:

elementærpartikler – egentlig skulle dette beskrive partikler som ikke har noen struktur, som ikke er sammensatt av mindre deler. Men gjennom tidene har man ofte funnet at det man først trodde var en elementærpartikkel egentlig bestod av mindre deler. Ordet brukes her om alle partikler som er mindre av struktur enn et atom.

henfall – et forsøk på å beskrive hva som skjer med ustabile partikler. En partikkel (en kvantetilstand) vil alltid forsøke å kvitte seg med energi og henfalle til en lavere energitilstand. Dersom en partikkel kan finne en lovlig måte å omforme seg til en lettere partikkel ved å sende ut stråling, gjør den gjerne det. Noen ganger tar dette litt tid.

antipartikkel – til enhver partikkel finnes der en tilsvarende antipartikkel med samme masse og spinn, men med motsatt ladning. Hvis en partikkel og antipartikkel i samme kvantetilstand møtes vil de utslette hverandre og frigi energi. Dette er en effekt av Einsteins verdensberømte likning, E = mc2, som sier at energi (E) kan omdannes til masse (m), og omvendt. Siden c2 (kvadratet av lyshastigheten) er et kjempestort tall, vil en bitteliten masse kunne frigjøre store mengder energi.

kvark – de minste bestanddelene i atomkjernen (så vidt vi kjenner til i dag). Disse partiklene er slaver av den sterke kjernekraften og kan ikke eksistere alene. Opptrer alltid i grupper på tre (baryoner) eller sammen med en antikvark (mesoner).

lepton – en punktpartikler (så vidt vi vet i dag) som er upåvirket av den sterke kjernekraften. Elektroner, myoner og nøytrinoer er eksempler på leptoner.

meson – en bundet tilstand av en kvark og en antikvark.

proton – en bundet tilstand av tre kvarker (uud).

bosoner og fermioner – navnene beskriver spinnstruktur. Bosoner har heltallig spinn og fermioner har halvtallig spinn. Kvarker og leptoner er fermioner, mens kraftformidlingspartiklene og enkelte sammensatte partikler er bosoner.

Legg igjen en kommentar

Du må være innlogget for å kunne legge igjen en kommentar.