De undersöker den gåtfulla antimaterian – ”Vi kanske bara ser toppen av ett isberg”

När upptäcktes antimateria? 

1928 försökte den engelska fysikern Paul Dirac kombinera kvantteori och den speciella relativitetsteorin för att beskriva en elektron med hög hastighet.

På samma sätt som ekvationen x2=4 har två lösningar, x=2 och x=-2, så såg han att hans ekvation hade två lösningar. En för en elektron, och en för en identisk partikel men med motsatt laddning.

I och med detta var antimaterian född.

Partiklarna som bygger upp vår värld kan beskrivas av partikelfysikens standardmodell. Varje partikel i modellen har en motsvarande antipartikel. En antipartikel har samma massa som den motsvarande partikeln medan den elektriska laddningen är motsatt. 

Exempel på partikel och antipartikelpar är elektronen och positronen samt protonen och antiprotonen. Vissa partiklar, som fotonen och Z-bosonen, är sin egen antipartikel.

Enligt standardmodellen bör det ha bildats lika mycket materia som antimateria vid universums födelse. Men dagens observationer visar att det finns mycket mer materia kvar.

Orsaken bakom denna asymmetri letar man efter på det stora partikelfysiklaboratoriet Cern i Schweiz.

Både antimateria och antipartiklar undersöks vid olika experiment. Bland annat vid den stora acceleratorn Large Hadron Collider men också vid dess motsats, deceleratorn the Antiproton decelerator (AD). 

Hur bildas antiprotoner och hur saktas de ner? 

Vid AD undersöker man bland annat hur antiväte (en antiproton och en positron) beter sig i jämförelse med vanligt väte (en proton och en elektron). För att kunna skapa antiväte måste man först skapa antiprotoner. Detta görs genom att bombardera en bit av metallen iridium med protoner med hög kinetisk energi. 

– Vi använder protoner från en maskin som heter PS (the proton synchrotron) med en energi på ungefär 25 giga elektronvolt som vi skickar mot ett strålmål. En del av protonerna träffar rätt i strålmålet och den inkommande kinetiska energin omvandlas då till en proton och en antiproton. Sen filtrerar man ut antiprotonerna med hjälp av magnetfält, säger Tommy Eriksson, tidigare verksamhetschef för AD. 

Elektronvolt (förkortat eV) är en måttenhet som används för små energier. 1 elektronvolt motsvarar den energi som krävs för att flytta en elektron över en potentialskillnad på en volt. 25 GeV motsvarar dock en hög energi för partiklar. 

– Energin av strålen från PS smälter metallen i strålmålet för varje impuls som kommer. Därför är iridiumstaven uppdelad i småbitar som är inbakade i grafit med ett speciellt kylsystem, säger Tommy Eriksson.  

När man har skapat antiprotonerna skickas de in i AD för att energin ska sänkas, alltså för att sakta ner partiklarna. AD använder sig av starka magneter för att fokusera antiprotonerna längs en cirkulär bana medan elektriska fält sänker hastigheten. 

– Vi kommer ner till ungefär fem mega elektronvolt i AD, vilket motsvarar att antiprotonerna rör sig med en hastighet som är ungefär tio procent av ljusets, säger Tommy Eriksson. 

Nya tillskottet Elena saktar ner antiprotonerna

5 MeV är dock inte en tillräckligt låg energi för att kunna skapa antimateria. Tidigare har antiprotonerna saktats ner ytterligare genom att låta dem passera genom en tunn metallfolie.

Då förlorades dock ungefär 98 procent av antiprotonerna, enligt Tommy Eriksson. Därför har en ytterligare decelerator byggts, the Extra low energy antiproton ring (Elena). 

– Nu kan vi skicka antiprotoner direkt från AD, 5MeV, in i Elena utan att förlora någonting i princip. Vi kommer ner till 100 KeV, det är ungefär så långt vi kan komma med bra strålkvalitet och stabilitet. Sen kan vi dela upp strålen i fyra delar och skicka till fyra olika experiment. En decelerationscykel i AD och Elena tar ungefär två minuter, säger Tommy Eriksson. 

Elena är ringformad med en omkrets på 30 meter. Längs ringen har man placerat starka magneter som håller antiprotonerna i bana med hastigheten sänks. Elena höjer antalet antiprotoner som sedan kan fångas in med en faktor 10–100. 

Hur fångas antiprotonerna in för att bilda antiväte?  

När antiprotonerna har saktats ner tillräckligt ska de fångas in. Detta görs med hjälp av en penning-trap, en anordning som fångar partiklar med hjälp av magnetiska och elektriska fält. För att skapa antiväte måste också en positron adderas till antiprotonen. Positronerna kommer från en radioaktiv isotop av natrium, NA-22.  

– Från ena sida skickar man in antiprotoner som fångas upp med hjälp av cirkulära elektroder. Från andra sidan skickar man positroner, och har man tur då så kommer en positron att hamna i omloppsbana kring en antiproton och vi får antiväte, säger Tommy Eriksson. 

Ett problem med antivätet som bildas i penning-trapen är att det är elektriskt neutralt. Det går alltså inte att hålla det kvar med hjälp av elektriska fält för att kunna göra mätningar.

– Man skapar därför ett tredimensionellt magnetfält med den lägsta fältstyrkan precis i mitten av penning-trapen. Det visar sig att hälften av antiväte-atomerna på grund av sitt spinn är så kallade low-field seekers. De har alltså en tendens att dra sig till ett lägre magnetfält och vi kan nu också fånga upp de elektriskt neutrala antiväteatomerna., säger Tommy Eriksson.

Med laserspektroskopi har sedan antivätet undersökts för att se om det skiljer sig från vanligt väte. Detta ger spektrallinjer där varje linje representerar en resonans mellan två kvanttillstånd för antivätet.

Lite kort exciteras positronen runt antiprotonen med en laser så att den hamnar i en högre energinivå. När positronen sedan återvänder till sin ursprungliga plats bildas ljus med en specifik våglängd. Våglängden mäts och ger oss information om antivätet. 

– Man har inte hittat några skillnader ännu mellan väte och antiväte när det gäller 1S till 2S transitionen, men precisionen är inte riktigt lika hög som för vanligt väte. Och just precisionsmätningar är vad det hela går ut på – ser man inga skillnader får man förbättra precisionen, säger Tommy Eriksson. 

Hur påverkas antimateria av gravitationen? 

På Cern vill man även undersöka hur antimateria påverkas av gravitationen. Faller antiväte upp, eller faller det ner mot jorden som vanlig materia gör?

Det finns flera olika metoder för att försöka mäta detta. Ett sätt är att placera många väldigt känsliga detektorer kring pening-trapen för att se om antivätet faller uppåt eller neråt berättar Tommy Eriksson.

– Sen finns det också två andra experiment som studerar antivätets gravitationella egenskaper i jordens gravitationsfält. Ett av dem gör in-flight mätningar som har två väldigt känsliga detektorer. Där mäter man den vertikala positionen över en sträcka över några meter. Hastigheten hos antivätet motsvarar ungefär den hos en gevärskula. Båda dessa experiment om gravitationsmätning är dock under utveckling, och det lär ta ett tag till innan vi får de första resultaten, säger han. 

Varför finns det mer materia än antimateria? 

Som tidigare nämnt finns det en asymmetri mellan mängden materia och antimateria i universum. Utöver partikeldeceleratorerna AD och Elena finns även världens största partikaccelerator Large Hadron Collider (LHC) vid Cern. Och vid LHC finns experimentet LHCb som undersöker just detta.

– För tillfället har vi en rad olika modeller, olika teorier, för dessa asymmetrier. Och dessa modeller kan antingen studeras vid lågenergetiska fenomen, som man gör vid antiprotondeceleratorn. Vid LHC gör vi i stället högenergetiska experiment, säger Richard Jacobsson fysiker vid LHCb.

Vid LHCb ligger fokus på en specifik partikel och dess antipartikel, B-kvarken.

– I LCHb skapar man en stor mängd B och anti-B kvarkar. Kvarkarna slås snabbt ihop med andra kvarkar och bildar hadroner av olika slag. B-kvarkarna är fantastiska för att de bildar en så stor mängd olika partiklar vars egna fenomenologi varierar i väldigt hög grad. Vi kan då göra många olika mätningar på en stor mängd olika partiklar och se hur B- och anti-B-kvarkar beter sig. Då kan vi se om vi kan hitta en diskrepans i naturen, säger Richard Jacobsson. 

Enligt Richard Jacobsson finns det sedan 60-talet vissa observerade skillnader mellan materia och antimateria, men dessa skillnader är inte tillräckliga för att kunna förklara den asymmetri vi ser i universum. 

 – Vi kanske bara ser toppen av ett isberg just nu. Vi skulle kanske i vissa fenomen kunna se en större effekt som kan nagla fast var mekanismen dyker upp någonstans, säger han. 

Utöver B-kvarkar så undersöks även C- och anti-C-kvarkarna och partiklarna de bildar. Precis som vid experimenten vid antiprotondeceleratorn så är precisionen väldigt viktig vid mätningarna vid LHCb. Detta för att kunna hitta skillnader i hur partikel och antipartikel, eller materia och antimateria beter sig enligt Richard Jacobsson.